我們有幸生活在生命的樂園——地球。這里不僅有適于生物生存和繁衍的條件,還有四季的變化。春季萬紫千紅,繁花似錦;秋季紅葉簇簇,碩果累累;夏天可以下水游泳,搏擊風(fēng)浪;冬天能挑戰(zhàn)嚴(yán)寒,溜冰滑雪。為什么在地球上的一些地方,一年之中會發(fā)生溫度的周期性變化呢?
地球圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道不是正圓,而是橢圓形。有時地球離太陽近一些,有時遠(yuǎn)一些。會不會是地球與太陽距離的變化造成四季的變化呢?地球離太陽最近時是1月初,距離是14 700萬公里。那可是北半球最冷的時候。地球離太陽最遠(yuǎn)時是7月初,距離是15 200萬公里,反而是北半球很熱的時候。所以地球和太陽之間的距離變化不是四季形成的原因。
地球上豐富多彩的四季變化,是地球的自轉(zhuǎn)軸相對于圍繞太陽公轉(zhuǎn)的平面傾斜23.5°造成的。夏天,北半球傾向太陽,太陽光的方向與地面近于垂直,我們看到太陽在天上很“高”。冬天,南半球傾向太陽,北半球的人看太陽在天空中很“低”,陽光很“斜”。
這一高一低,差別就出來了。如果在晚上用手電筒照地面,手電筒垂直往下照的時候,被照亮的地方面積最小。越是斜著照,被照亮的區(qū)域面積越大。太陽位置“高”的時候,太陽光的熱量都集中在一個小區(qū)域,自然這個區(qū)域的地面接收的熱就多了。太陽光“斜”的時候,同樣的熱量要分散到更大的面積,單位面積接收到的熱量自然就少了。太陽“高”的時候,日照時間長。太陽越“斜”,日照時間越短。兩個因素加起來,才是地球上一些地方四季的成因。
說到這里,好像一切都清楚了。不過仔細(xì)想想,問題又來了。在夏至這一天,太陽在北半球最“高”,理應(yīng)是最熱的一天。實際上,北半球最熱的時候不是夏至(大約在6月22日),而是在一個多月后的“三伏”,大約是7月12日到8月27日。冬至這一天,太陽在北半球最“低”,應(yīng)該是最冷的一天吧。但北半球最冷的一天也不是冬至(大約在12月22日),而是一個月以后的“三九”,從第二年1月下旬才開始。這又是怎么回事呢?
主要的原因是地球被濃密的大氣層包裹。太陽光不是直接加熱靠近地面的空氣,而是先加熱地面。地面通過紅外輻射、空氣對流和水分蒸發(fā)把熱帶給空氣。每平方米的地表上面,有大約10噸空氣,可以儲存大量的熱。這就使地表的溫度不會太高。到了晚上,這些熱量又使地表的溫度不致過低。因此,地球上大部分地區(qū)的晝夜溫差只有幾攝氏度到十幾攝氏度。
這樣一來,每天的平均溫度就不完全取決于從太陽得到多少熱量了,而是每天得到的熱量和散失的熱量之間的差。夏至那天北半球從太陽那里接收到的熱量的確最多,但是在夏至過后的幾十天中,雖然太陽的位置不是最高了,但還是相當(dāng)高;日照不是最長了,但還是相當(dāng)長。每天接收到的熱量還是超過散失的熱量,所以日平均溫度繼續(xù)升高,到“三伏”天升到最高。只有當(dāng)太陽足夠“低”,每天接收的熱量少于散失的熱量后,溫度才開始降低。同理,冬至過后,北半球雖然日照逐漸增加,但是每天接收的熱量還不足以彌補(bǔ)散失的熱量,所以“三九”天才最冷。當(dāng)日照強(qiáng)到能超過每天的熱量散失時,“五九、六九,沿河看柳”的春天就來了。
同樣的道理,每天中午12點是太陽最“高”的時候,但是一天之中溫度最高的時候不是中午,而是下午兩點左右。
如果是在室內(nèi),沒有空調(diào),房屋(墻壁加家具)能儲存很多的熱,溫度的變化也會和太陽的高度不同步。夏天室內(nèi)感覺最熱的時候不是中午,而是傍晚。盡管外面已經(jīng)比較涼快了,但是墻壁和家具還在不斷地把白天儲存的熱放出來,以紅外輻射的方式“烤”我們,所以有穿堂風(fēng)也不覺得涼快??拷蠼牡胤?,如中國的重慶、武漢、南京,由于江水在白天被太陽曬熱,太陽“落山”以后這些熱再散發(fā)出來,傍晚就分外的熱,形成著名的“火爐”城市。
有趣的是,地下的溫度也和地表的溫度變化不同步。比如8月6日一般是地表日平均溫度最高的時候。但是在地下60厘米處,要到8月20日溫度才最高。在地下1.5米處,就要等到9月10日。在地下3.5處,要等到10月29日。到了地下9.4米處,夏季和冬季就和地表反過來了。窯洞冬暖夏涼,就是這個原因。地下的冬夏與地表相比在時間上可以相差很大,有些植物根部細(xì)胞的繁殖反而是在冬天進(jìn)行,夏天停止。
火星上空氣稀薄,不僅晝夜溫差大,日平均氣溫與日照相比,也沒有明顯的滯后現(xiàn)象。金星上又是另一番景象了,由于大氣過于濃密(是地球上大氣壓的90倍),主要是溫室氣體二氧化碳,從太陽進(jìn)來的熱量很難“逃脫”,使得金星表面燙如煉獄,鉛在上面都會融化。這樣一比,我們生活在地球上,真是很幸運(yùn)。
(雨珊摘 文/朱欽士)