地球上全部的光和热都来自于太阳,太阳是地球唯一的能量来源,既然如此,那么地球上的冷与热就应该同太阳的远近有着直接的联系,离太阳近的时候就应该是炎热的夏天,而离太阳远的时候就应该是寒冷的冬季,然而这个想法错了,至少错了一半。
地球可划分为南北两个半球,南北半球的季节是截然相反的,北半球的夏天就是南半球的冬天,而北半球的冬季就是南半球的夏季。南北半球相反的季节也造成了人文上的差异,比如,在北半球,不同文化和地区的重大节日全都在冬季,就是因为在农业社会中,冬季无事可做。我们知道,地球之所以会产生四季的变化,是源于地球的公转,而地球围绕太阳运行的公转轨道并不是一个标准的圆形,它是一个椭圆,于是地球也就有了近日点和远日点之分。
有趣的是,对于北半球的人们而言,离太阳近的时候并非夏天,离太阳远的时候也并非冬季,北半球的夏天恰好是地球的远日点附近,而冬季则位于地球的近日点附近。
为什么离太阳近的时候反而冷,而离太阳远的时候反而热呢?这不禁令人想起了另一个中国古代的经典问题:一小童拦住孔子的车驾,要向孔子请教一个问题,孔子承诺若答不出则拜小童为师。于是小童问孔子:“为什么早上的太阳冷,而中午的太阳热呢”?孔子答:“早上太阳远而中午太阳近”,小童又问:“早上太阳远,为什么看起来大?中午太阳近,为什么看起来小?”孔子答不出,遂拜小童为师。这个问题对于古人而言,的确是颇具难度,而且对于公元前500年的小童而言,能够提出这样的问题,也实在是颇为不易。
古代这个关于早晨和中午太阳的问题,与我们所说的北半球冬季和夏季的问题是极为相似的。对于地球而言,距离太阳的远近并不是冷与热的决定性因素,决定性因素是地球的倾角。
由于月球的引力作用以及其它未知的因素,地球的自转轴与黄道面之间存在着一个夹角,这个夹角约为23.5度。当夏至这一天到来的时候,太阳直射北回归线,对于生活在北半球的人而言,这一天太阳将在天空中划出一道最长的弧线,是一年中白天最长的时候。从这一天之后,太阳在天空中的高度会越来越低,阳光照射大地的角度开始倾斜,天气也随之越来越冷。为什么太阳照射的角度变得倾斜会导致气温下降呢?有两方面的原因。其一就是太阳辐射到地球上的能量是一定的。
不论是斜射,还是直射,太阳所提供的能量是固定的,但斜射时所照射的地球面积要比直射时大很多,同样多的能量,分散到了更广阔的的区域上,每一单位面积所接收到的热量自然就要比原来少了,温度自然也就比原来低了。
其二则是因为大气层的阻隔。太阳光斜射的时候所经过的大气面积要比直射时多,根据计算,冬至和夏至的正午,太阳光在北回归线处所穿透的地球大气厚度相差达到了100公里以上,大量的太阳光在大气中被散射,照射到大地时,能量自然就下降了。孔子所遇到的问题其实也与之类似,早上的时候,太阳照射的角度更大,所以看起来大,而温度低,中午时分,太阳光照射的角度小,所以看起来小而温度高。那么为什么近日点和远日点不会对地球的温度造成影响呢?
与太阳距离的远近自然会影响到地球的温度,但是影响不大,因为地球轨道的近日点和远日点差别很小,因为地球的近日点和远日点只相差了480万公里,所以它们的太阳辐射强度只相差了不到6%,如此小的差距根本无法弥补地球23.5度的倾角所带来的影响。
不过不论是地球的轨道形状,还是地球倾角的大小,又或者是地球自转轴的方向,都不是固定不变的。地球轨道由最椭变为最圆的周期大概为10万年,而地球倾角从最大变到最小的周期约为5万年左右,而倾角的倾斜方向变动周期则为2.6万年。所以北半球的冬季并不永远都是在远日点附近,它会随着地球运动的周期性变化而出现变化,终有一日,北半球的近日点会变为夏季,而南半球的近日点则会成为冬季,如此周而复始。