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地球上為什么會(huì)出現(xiàn)四季交替現(xiàn)象地球上會(huì)出現(xiàn)四季交替現(xiàn)象的原因是什么

文章插圖
說明:本文90％以上內(nèi)容來源于美國科普作家菲利普.普萊的科普書《這才是天文學(xué)》。
四季變換或許是天文學(xué)對(duì)我們的生活產(chǎn)生影響最明顯的例子，這個(gè)星球的大多數(shù)地方都是夏暖冬涼。
圖片來源于網(wǎng)絡(luò)
一、地球與太陽距離的遠(yuǎn)近變化是出現(xiàn)四季交替現(xiàn)象的主要原因嗎？毫無疑問，最顯而易見的解釋就是地球與太陽之間的距離變化。你距離熱源更近時(shí)就會(huì)感覺到更熱，這是一種常識(shí) 。另外一個(gè)常識(shí)就是，太陽是所有熱源中最大的。只要在炎炎夏日走過樹蔭下，你就會(huì)相信這一點(diǎn) 。所以如果有人說，地球距離太陽更近時(shí)會(huì)大幅度升溫。距離太陽更遠(yuǎn)時(shí)則會(huì)降溫，這話聽上去真的是格外有道理。而且。你們在高中科學(xué)課上不都學(xué)過了嘛:地球圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道是一個(gè)橢圓。所以有的時(shí)候地球與太陽的距離的確更近，而有的時(shí)候與太陽的距離則更遠(yuǎn) 。這個(gè)邏輯過程看上去簡直必然能推出是地球的橢圓軌道導(dǎo)致了四季。
不幸的是，這個(gè)邏輯過程缺少了關(guān)鍵的幾環(huán) 。
沒錯(cuò)、地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道的確是個(gè)橢圓。我們現(xiàn)在清楚地知道了這一點(diǎn) ，是通過仔細(xì)地測量得出的結(jié)論，但是它其實(shí)并不是那么明顯。數(shù)千年以來，人們都以為太陽圍繞著地球旋轉(zhuǎn) 。1530年，波蘭天文學(xué)家尼古拉·哥白尼第一次發(fā)表了他的“日心說”觀點(diǎn) 。但問題是，他認(rèn)為地球(以及所有其他行星)的軌道都是正圓形。他試圖用日心說的觀點(diǎn)預(yù)測天空中行星的位置時(shí) ，卻發(fā)現(xiàn)行不通。他不得不來回修改他的模型來使得它符合觀測結(jié)果，但是這個(gè)模型在預(yù)測行星位置的時(shí)候從來就沒有好用過。
哥白尼雕像，圖片來源于網(wǎng)絡(luò)
17世紀(jì)初，約翰尼斯·開普勒發(fā)現(xiàn)了行星的運(yùn)行軌道實(shí)際上是橢圓形、而不是正圓形。400年過去了，今天的我們依然利用開普勒的發(fā)現(xiàn)來預(yù)測天空中太陽系行星的位置。我們甚至利用他的發(fā)現(xiàn)來計(jì)劃送往那些行星的空間探測器的飛行路徑。想象一下，如果開普勒地下有知，他會(huì)是什么反應(yīng)!(他或許會(huì)說:“喂!我可都死了350年啦!你們動(dòng)作也太慢啦!”)
第谷與開普勒雕像，圖片來源于網(wǎng)絡(luò)
但是，開普勒的橢圓形公轉(zhuǎn)軌道理論也有個(gè)弊端，它耍弄我們的常識(shí) ，導(dǎo)致我們得出一些錯(cuò)誤的結(jié)論。我們知道包括地球在內(nèi)的行星沿著橢圓形的軌道圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn) ，所以也知道有的時(shí)候我們與太陽的距離更近，而另一些時(shí)候則更遠(yuǎn) 。我們還知道距離在我們對(duì)溫度的感知上起了重要的作用。于是我們就得出了一個(gè)相當(dāng)“有邏輯”的結(jié)論，地球上四季的產(chǎn)生是由于我們與太陽之間的距離變化導(dǎo)致的。
地球繞太陽公轉(zhuǎn)橢圓軌道，圖片來源于網(wǎng)絡(luò)
然而，在常識(shí)之外，我們還有另外一種可以使用的工具，那就是數(shù)學(xué) 。天文學(xué)家真的測量過一年之中地球與太陽之間的距離。將距離變化換算為溫度變化所需要的數(shù)學(xué)并不太難，這通常是天文系本科生的課后作業(yè)之一。這里我就不具體展開過程，只是直接告訴你們結(jié)論了。令人吃驚的是，一年中地球與太陽之間距離的變化導(dǎo)致地球上的溫度變化，在4℃左右。這個(gè)數(shù)字對(duì)于生活在熱帶的人們來說，可能不算太驚人，畢竟，在熱帶，一年四季的溫度變化都不是很明顯。然而對(duì)于某些生活在比如緬因州的人們來說，這個(gè)結(jié)果可能令人驚訝--畢竟這里一年內(nèi)的溫差更接近44℃ 。
二、為什么地軸的傾斜會(huì)導(dǎo)致四季交替現(xiàn)象？顯然，除了與太陽之間的距離變化之外，還有另外的因素存在，才能夠?qū)е氯绱司薮蟮臏夭?。它就是地軸的傾斜。
想象地球正在圍繞著太陽運(yùn)轉(zhuǎn) ，運(yùn)轉(zhuǎn)軌道是一個(gè)橢圓形，處在一個(gè)平面。換句話說，地球在圍繞著太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，并沒有上下來回移動(dòng) 。而是位于一個(gè)規(guī)矩的二維橢圓軌跡上。天文學(xué)家把該橢圓所在的這個(gè)平面稱為天黃道 。地球在圍繞著太陽公轉(zhuǎn)的過程中，同時(shí)也圍繞著地軸發(fā)生自轉(zhuǎn) ，好比一只陀螺，自轉(zhuǎn)一周的時(shí)間為一天。你的直覺或許會(huì)認(rèn)為，地球的地軸是與天黃道垂直的，但事實(shí)并非如此。實(shí)際上，地軸在與天黃道垂直的方向間有一個(gè)23.5°的傾斜角。你有沒有想過，為什么地球儀上的地球模型，北極部分都不位于正頂端呢?因?yàn)榈厍蚴莾A斜的，地軸并不朝向正上方。
地軸傾角示意圖，圖片來源于網(wǎng)絡(luò)
這個(gè)傾斜角看上去似乎并沒有什么大不了的，卻產(chǎn)生了深刻的影響。你可以做一個(gè)簡單的小實(shí)驗(yàn):拿一支手電筒和一張白紙。關(guān)掉房間里的燈，用手電筒的光直射在白紙之上。你會(huì)看見一個(gè)正圓形的光斑 ?，F(xiàn)在，傾斜這張白紙，讓光線與白紙所在平面呈45°角。現(xiàn)在光斑是什么形狀的?橢圓形，而不是正圓形。但是更重要的是，看一看那個(gè)橢圓形光斑的亮度變化。它比之前正圓形的時(shí)候更加暗淡了。投射到這張白紙上的光線總量并沒有發(fā)生變化，但是通過傾斜這張白紙，你讓光斑延展了。白紙上被光照亮的部分增加了，但因?yàn)楣饩€的總量不變，所以平均下來，光斑的亮度就變暗了。如果你把傾斜角增大，光斑的面積會(huì)變得更大，也會(huì)變得更暗淡。
對(duì)于地球來說，情況也是一樣的。想象一下，如果地軸傾斜自不存在會(huì)怎樣，也就是說，地軸與黃道面相互重直，現(xiàn)在假設(shè)太陽是一只巨大的手電筒、從太陽發(fā)出的光投射在地球上。假設(shè)你站在厄瓜多爾，位于地球的赤道上。對(duì)于你來說，在正午時(shí)分，太陽處于天頂、光線垂直于地面。這時(shí)光線是高度集中的、就像在剛才的小實(shí)驗(yàn)中你用手電筒垂直射向白紙一樣。
地球圖片，圖片來源于網(wǎng)絡(luò)
現(xiàn)在，讓我們假設(shè)你位于明尼蘇達(dá)州的明尼阿波利斯市，這里是北緯45°、正好是北極與赤道之間的中點(diǎn) 。此時(shí) ，照射在你那里的陽光是延展開的、好像在小實(shí)驗(yàn)中傾斜白紙時(shí)的情況一樣。地球受陽光加熱，此時(shí)平均投射在每平方厘米上的熱量更少了，因此地面從太陽那里獲得的熱也就少了。照射在地面上的光線總量不變，但是延展得更厲害了。
現(xiàn)在讓我們使用極限法，假設(shè)你站在北極點(diǎn)上。投射向地面的太陽光線幾乎與地面平行，也就是說光斑延展得極大。換一種方式思考，太陽在北極點(diǎn)始終處于地平線附近。這就好比在我們之前的小實(shí)驗(yàn)中傾斜那張白紙，直到白紙幾乎與手電筒的光線平行的情況。光斑得到了極大地伸展。
以至于在白紙上幾乎看不到任何光斑了。這也就是為什么南極與北極這么冷的原因!太陽在南北極上空與在厄瓜多爾和在明尼阿波利斯上空一樣亮，但是光線在南北兩極得到的延展卻幾乎不能讓地面升溫。
地軸與黃道面的傾斜角是客觀存在的，所以問題就變得更加復(fù)雜一點(diǎn) 。地球圍繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) ，地軸總是指向天空中的一個(gè)定點(diǎn) ，有點(diǎn)兒像是羅盤--無論你面朝何處，羅盤的指針永遠(yuǎn)指向北。你可以把天空想象成一個(gè)籠罩在地球外側(cè)的水晶空心球。如果延伸地軸，使其與天空所在的球面相交，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)交點(diǎn)始終固定不變;對(duì)于位于地球表面的我們來說，地軸看上去總是指向天空中的一個(gè)定點(diǎn) 。對(duì)于身處北半球的人們來說，地軸所指方向與北極星非常接近。一年中的任何時(shí)候，地軸總是指向同一個(gè)方向。
圖片來源于網(wǎng)絡(luò)
但因?yàn)榈厍蚴菄@著太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的，以太陽為參照物，地軸的指向是變化的。每年6月21日前后，對(duì)于北半球來說，地軸指向太陽的程度最大， 6個(gè)月之后，地軸指向背離太陽的程度最大。這也就意味著，對(duì)于北半球的人們來說、6月21日正午，太陽在天空中的位置格外地高;而12月21日正午、太陽在空中的位置格外地低。6月21日，太陽光的集中程度最大因此陽光對(duì)于地表的升溫作用高效;12月21日，陽光得到最大程度的延展、因此對(duì)于地表的升溫就起不了太多作用。這就是為什么夏天更熱，久天更冷，我們擁有一年四季的原因。四季產(chǎn)生的原因不是因?yàn)槲覀兣c太陽之間的距離變化，而是地軸相對(duì)于太陽的方向變化導(dǎo)致了陽光角度的變化。
地軸相對(duì)于太陽的角度變化見下頁圖。請注意，當(dāng)北半球的地軸朝向太陽的時(shí)候，南半球的地軸則背向太陽，反之亦然。這也就是為什么南半球的人們在春天過萬圣節(jié) ，在夏天過圣誕節(jié)的原因。我猜《我渴望一個(gè)綠色圣誕》這首歌曲在澳大利亞也許很有市場……
四季是由于地軸的傾斜角而產(chǎn)生的
夏季，太陽在空中的位置更高
【地球上為什么會(huì)出現(xiàn)四季交替現(xiàn)象地球上會(huì)出現(xiàn)四季交替現(xiàn)象的原因是什么】另外，還有一個(gè)原因使得四季更加分明:因?yàn)榈剌S傾斜角的存在，太陽在夏季天空中的位置更高--如我們?nèi)庋鬯?。這也就意味著一天之中我們看到太陽在天空中所經(jīng)過的距離更長。這一點(diǎn)則使得太陽有更多的時(shí)間來加熱地球。我們不光得到了相對(duì)更加直射地面的光，而且陽光照射的時(shí)間也比平時(shí)要多。雙管齊下!太陽在冬季天空中的位置不夠高，因此白晝也更短。于是，陽光能使地球升溫的時(shí)間也就更少，讓冬天冷上加冷。
如果地軸傾斜角不存在，那么無論你在地球的什么位置，日夜的時(shí)間都是相同的12小時(shí) ，四季將根本不會(huì)存在。
讓我們再來看一眼上頁圖。圖中顯示。1月，地球與太陽之間的距離更近。好了、這一下鐵板釘釘，證明了地球與太陽之間的距離變化并不是四季產(chǎn)生的主要原因。如若不然，生活在北半球的我們應(yīng)該在1月過夏天，半年之后的6月過冬天。既然現(xiàn)實(shí)與上述假設(shè)正好相反，那么距離因素在四季產(chǎn)生的過程中所起到的作用想必也不是太大。
然而、我們并不能夠完全地忽略距離因素。距離對(duì)于四季變化確有影響、雖然并不是很大。對(duì)于生活在北半球的諸位來說，這意味著我們的冬天要相比地球公轉(zhuǎn)軌道是正圓的情況下平均暖和上幾攝氏度，因?yàn)樵诙煳覀兣c太陽之間的距離更近。相應(yīng)地，北半球的夏天要涼爽一些，因?yàn)槲覀兣c太陽的距離更遠(yuǎn) 。這也意味著，生活在南半球的人們的夏天比北半球更熱，冬天比北半球更冷。
然而，實(shí)際上這個(gè)問題還要更加復(fù)雜。我們的南半球幾乎被水覆蓋。
如果不信，你可以找一個(gè)地球儀自己看看。相對(duì)于土地來說，水的升溫和降溫過程都要更慢一些。這一點(diǎn)在地球的熱量安排上也起到了相當(dāng)?shù)淖饔??，F(xiàn)實(shí)中南半球的夏季與冬季的氣溫事實(shí)上和北半球差不多。赤道以南存在的大量水作為隔熱物質(zhì)保護(hù)著南半球，使其不會(huì)受到大幅度氣溫變化的干擾。
三、地球進(jìn)動(dòng)效應(yīng)對(duì)四季交替現(xiàn)象的影響神奇的是，這些還不是故事的全部。我之前說了，地軸總是指向天空中的一個(gè)定點(diǎn) ，但是我撒謊了。讀者們請?jiān)徫?nbsp;，之前我那樣說是因?yàn)椴幌胱屛覀兊挠懻摽瓷先ミ^于復(fù)雜。事實(shí)是，地球的地軸是會(huì)移動(dòng)的、它緩慢地橫跨天空。
小小跑個(gè)題:小時(shí)候，我的父母給我買過一個(gè)玩具陀螺。我很喜歡轉(zhuǎn)它，觀察它在地板上留下有趣的運(yùn)行軌跡。我還注意到，一旦陀螺的旋轉(zhuǎn)速度慢下來，它就開始來回地?fù)u晃。那個(gè)時(shí)候我太小，還不理解那是為什么、但是現(xiàn)在我知道了搖晃的原因是由于旋轉(zhuǎn)的陀嫘所受到多種力的相互作用。如果陀螺的旋轉(zhuǎn)軸不是絕對(duì)垂直的，重力就會(huì)讓陀螺歪向一側(cè) 。產(chǎn)生了在物理學(xué)上稱為扭矩的作用。因?yàn)橥勇菰谛D(zhuǎn) 。你可以認(rèn)為這種力在水平方向上使得陀螺發(fā)生偏斜，使其慢慢地晃動(dòng) 。如果你在太空中玩陀螺、然后截它一下，讓它稍微歪斜，也會(huì)發(fā)生同樣的事情。旋轉(zhuǎn)軸會(huì)開始晃動(dòng)、在空中畫小圓圈，你戳得力度越大，它畫得圓圈也就越大。
這種繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)被稱為進(jìn)動(dòng) ，它產(chǎn)生的原因是任何作用于陀螺上的與其旋轉(zhuǎn)軸方向不平行的力。對(duì)于一切受力的旋轉(zhuǎn)物體來說，進(jìn)動(dòng)都存在。當(dāng)然了，我們的地球也在旋轉(zhuǎn) ，就像一只陀螺，恰好也受力:來自月球的萬有引力。
月球圍繞著地球旋轉(zhuǎn) ，對(duì)地球產(chǎn)生引力。月球?qū)Φ厍虻摹袄Α本秃帽葟钠x旋轉(zhuǎn)軸的方向戳一只正在旋轉(zhuǎn)的陀螺，地球的地軸自然會(huì)產(chǎn)生進(jìn)動(dòng) 。地軸的位移在天空中形成了一個(gè)圓錐面，軸截面頂角為47° ，恰好是地軸傾斜角的兩倍。這并不是巧合。地軸相對(duì)于黃道面水平軌道垂直方向的傾斜角是固定不變的，總是23.5° 。然而，地軸指向天空的方向卻隨著時(shí)間的變化而變化。
地球進(jìn)動(dòng)示意圖(1)-拍攝于上海天文館

地球進(jìn)動(dòng)示意圖(2)-拍攝于上海天文館
地球進(jìn)動(dòng)效應(yīng)很緩慢，地軸需要26000年才能畫完一個(gè)圈。不過，這個(gè)過程還是可測量的。目前，地球的北極極軸正指向北極星，這也就是我們將這顆恒星命名為北極星的原因。但是地軸并不總是指向北極星的，過去不是，將來也不會(huì)是。隨著地軸的進(jìn)動(dòng) ，它在天空中所指的方向也在發(fā)生變化。大約公元前2600 年，地軸指向的是右樞(亦稱“紫微右垣一”) 。是天龍座內(nèi)最亮的一顆恒星。到了大約公元14000年，地軸將會(huì)指向明亮的織女星附近。
進(jìn)動(dòng)是一個(gè)讓天文學(xué)家有些頭疼的現(xiàn)象。為了測量天文物體的具樂位置、天文學(xué)家也用網(wǎng)格標(biāo)記天空，就好像地圖繪制者用經(jīng)緯標(biāo)記地球校面。天空的北極點(diǎn)與南極點(diǎn)對(duì)應(yīng)地球的北極點(diǎn)和南極點(diǎn) ，但是天空的北物點(diǎn)隨著進(jìn)動(dòng)過程也在移動(dòng) 。想象一下，在地球上的你試圖給東南西北定位、可是如果北極總跑來跑去，那會(huì)多么麻煩。你必須知道北極到底在哪里、才能知道你要去的是什么方向。
天文學(xué)家在面對(duì)天空的時(shí)候遭遇了同樣的問題。他們測量某個(gè)天體的位置時(shí)、必須將地軸的進(jìn)動(dòng)考慮進(jìn)去。進(jìn)動(dòng)的影響并不算太大，大部分天圖只需要25~50年更新一次就好。但是，對(duì)于像哈勃空間望遠(yuǎn)鏡之類對(duì)于朝向精度要求極高的望遠(yuǎn)鏡來說，進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生的誤差則尤為關(guān)鍵。如果我們在計(jì)算天體位置的過程中沒有考慮進(jìn)動(dòng)因素，那么這個(gè)天體很有可能根本不會(huì)出現(xiàn)在望遠(yuǎn)鏡的視野之中。
進(jìn)動(dòng)對(duì)于天文學(xué)家的影響是即時(shí)的，但是對(duì)于四季變化的影響卻是緩慢的。目前、地球的北極極軸在6月指向太陽。但是由于進(jìn)動(dòng)的影響， 13000年后一-半個(gè)進(jìn)動(dòng)圓周期--地球的北極會(huì)在6月背離太陽，而在12月才朝向太陽。對(duì)于我們現(xiàn)在的日歷來說，四季將實(shí)現(xiàn)徹底的翻轉(zhuǎn) 。
同樣不要忘記，由于地球的橢圓形公轉(zhuǎn)軌道， 1月我們與太陽的距離最近。所以，從現(xiàn)在開始，半個(gè)進(jìn)動(dòng)周期之后，對(duì)于北半球來說，彼時(shí)的夏天正好是地球與太陽距離最近的時(shí)候，將更熱;冬天也恰好是地球與太陽距離最遠(yuǎn)的時(shí)候，將更冷。季節(jié)變化將更加明顯。對(duì)于南半球來說，四季的變化將比現(xiàn)在更加溫和，因?yàn)槟习肭虻南募菊檬堑厍蚺c太陽距離最遠(yuǎn)的時(shí)候，而冬季則是地球與太陽距離最近的時(shí)候。
后有來者意味著前也有古人:在距今13000年前，四季與今天是相反的。在北半球，夏天比現(xiàn)在更熱，冬天比現(xiàn)在更冷。氣候?qū)W家根據(jù)這一點(diǎn)、推斷當(dāng)時(shí)地球上的情況或許和今天迥異。地軸指向的緩慢變化甚至可能正是撒哈拉沙漠形成的原因!每年地軸進(jìn)動(dòng)的影響或許微不可見，然而經(jīng)過一個(gè)個(gè)世紀(jì)、一個(gè)個(gè)千年，微小的改變也會(huì)積少成多。大自然展現(xiàn)給我們的往往是蠻橫又迅猛的一面，但是同樣也可以行事微妙。這都取決你看事情的角度。
好了，這一講就到這了。
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