地球上昼夜交替现象产生原因（地球上为什么会出现四季交替现象）

说明:本文90％以上内容来源于美国科普作家菲利普.普莱的科普书《这才是天文学》。

四季变换或许是天文学对我们的生活产生影响最明显的例子，这个星球的大多数地方都是夏暖冬凉。

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一、地球与太阳距离的远近变化是出现四季交替现象的主要原因吗？

毫无疑问，最显而易见的解释就是地球与太阳之间的距离变化。你距离热源更近时就会感觉到更热，这是一种常识。另外一个常识就是，太阳是所有热源中最大的。只要在炎炎夏日走过树荫下，你就会相信这一点。所以如果有人说，地球距离太阳更近时会大幅度升温。距离太阳更远时则会降温，这话听上去真的是格外有道理。而且。你们在高中科学课上不都学过了嘛:地球围绕太阳运转的轨道是一个椭圆。所以有的时候地球与太阳的距离的确更近，而有的时候与太阳的距离则更远。这个逻辑过程看上去简直必然能推出是地球的椭圆轨道导致了四季。

不幸的是，这个逻辑过程缺少了关键的几环。

没错、地球围绕太阳公转的轨道的确是个椭圆。我们现在清楚地知道了这一点，是通过仔细地测量得出的结论，但是它其实并不是那么明显。数千年以来，人们都以为太阳围绕着地球旋转。1530年，波兰天文学家尼古拉·哥白尼第一次发表了他的“日心说”观点。但问题是，他认为地球(以及所有其他行星)的轨道都是正圆形。他试图用日心说的观点预测天空中行星的位置时，却发现行不通。他不得不来回修改他的模型来使得它符合观测结果，但是这个模型在预测行星位置的时候从来就没有好用过。

哥白尼雕像，图片来源于网络

17世纪初，约翰尼斯·开普勒发现了行星的运行轨道实际上是椭圆形、而不是正圆形。400年过去了，今天的我们依然利用开普勒的发现来预测天空中太阳系行星的位置。我们甚至利用他的发现来计划送往那些行星的空间探测器的飞行路径。想象一下，如果开普勒地下有知，他会是什么反应!(他或许会说:“喂!我可都死了350年啦!你们动作也太慢啦!”)

第谷与开普勒雕像，图片来源于网络

但是，开普勒的椭圆形公转轨道理论也有个弊端，它耍弄我们的常识，导致我们得出一些错误的结论。我们知道包括地球在内的行星沿着椭圆形的轨道围绕太阳运转，所以也知道有的时候我们与太阳的距离更近，而另一些时候则更远。我们还知道距离在我们对温度的感知上起了重要的作用。于是我们就得出了一个相当“有逻辑”的结论，地球上四季的产生是由于我们与太阳之间的距离变化导致的。

地球绕太阳公转椭圆轨道，图片来源于网络

然而，在常识之外，我们还有另外一种可以使用的工具，那就是数学。天文学家真的测量过一年之中地球与太阳之间的距离。将距离变化换算为温度变化所需要的数学并不太难，这通常是天文系本科生的课后作业之一。这里我就不具体展开过程，只是直接告诉你们结论了。令人吃惊的是，一年中地球与太阳之间距离的变化导致地球上的温度变化，在4℃左右。这个数字对于生活在热带的人们来说，可能不算太惊人，毕竟，在热带，一年四季的温度变化都不是很明显。然而对于某些生活在比如缅因州的人们来说，这个结果可能令人惊讶--毕竟这里一年内的温差更接近44℃。

二、为什么地轴的倾斜会导致四季交替现象？

显然，除了与太阳之间的距离变化之外，还有另外的因素存在，才能够导致如此巨大的温差。它就是地轴的倾斜。

想象地球正在围绕着太阳运转，运转轨道是一个椭圆形，处在一个平面。换句话说，地球在围绕着太阳运转的过程中，并没有上下来回移动。而是位于一个规矩的二维椭圆轨迹上。天文学家把该椭圆所在的这个平面称为天黄道。地球在围绕着太阳公转的过程中，同时也围绕着地轴发生自转，好比一只陀螺，自转一周的时间为一天。你的直觉或许会认为，地球的地轴是与天黄道垂直的，但事实并非如此。实际上，地轴在与天黄道垂直的方向间有一个23.5°的倾斜角。你有没有想过，为什么地球仪上的地球模型，北极部分都不位于正顶端呢?因为地球是倾斜的，地轴并不朝向正上方。

地轴倾角示意图，图片来源于网络

这个倾斜角看上去似乎并没有什么大不了的，却产生了深刻的影响。你可以做一个简单的小实验:拿一支手电筒和一张白纸。关掉房间里的灯，用手电筒的光直射在白纸之上。你会看见一个正圆形的光斑。现在，倾斜这张白纸，让光线与白纸所在平面呈45°角。现在光斑是什么形状的?椭圆形，而不是正圆形。但是更重要的是，看一看那个椭圆形光斑的亮度变化。它比之前正圆形的时候更加暗淡了。投射到这张白纸上的光线总量并没有发生变化，但是通过倾斜这张白纸，你让光斑延展了。白纸上被光照亮的部分增加了，但因为光线的总量不变，所以平均下来，光斑的亮度就变暗了。如果你把倾斜角增大，光斑的面积会变得更大，也会变得更暗淡。

对于地球来说，情况也是一样的。想象一下，如果地轴倾斜自不存在会怎样，也就是说，地轴与黄道面相互重直，现在假设太阳是一只巨大的手电筒、从太阳发出的光投射在地球上。假设你站在厄瓜多尔，位于地球的赤道上。对于你来说，在正午时分，太阳处于天顶、光线垂直于地面。这时光线是高度集中的、就像在刚才的小实验中你用手电筒垂直射向白纸一样。

地球图片，图片来源于网络

现在，让我们假设你位于明尼苏达州的明尼阿波利斯市，这里是北纬45°、正好是北极与赤道之间的中点。此时，照射在你那里的阳光是延展开的、好像在小实验中倾斜白纸时的情况一样。地球受阳光加热，此时平均投射在每平方厘米上的热量更少了，因此地面从太阳那里获得的热也就少了。照射在地面上的光线总量不变，但是延展得更厉害了。

现在让我们使用极限法，假设你站在北极点上。投射向地面的太阳光线几乎与地面平行，也就是说光斑延展得极大。换一种方式思考，太阳在北极点始终处于地平线附近。这就好比在我们之前的小实验中倾斜那张白纸，直到白纸几乎与手电筒的光线平行的情况。光斑得到了极大地伸展。

以至于在白纸上几乎看不到任何光斑了。这也就是为什么南极与北极这么冷的原因!太阳在南北极上空与在厄瓜多尔和在明尼阿波利斯上空一样亮，但是光线在南北两极得到的延展却几乎不能让地面升温。

地轴与黄道面的倾斜角是客观存在的，所以问题就变得更加复杂一点。地球围绕太阳转动时，地轴总是指向天空中的一个定点，有点儿像是罗盘--无论你面朝何处，罗盘的指针永远指向北。你可以把天空想象成一个笼罩在地球外侧的水晶空心球。如果延伸地轴，使其与天空所在的球面相交，你会发现这个交点始终固定不变;对于位于地球表面的我们来说，地轴看上去总是指向天空中的一个定点。对于身处北半球的人们来说，地轴所指方向与北极星非常接近。一年中的任何时候，地轴总是指向同一个方向。

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但因为地球是围绕着太阳运转的，以太阳为参照物，地轴的指向是变化的。每年6月21日前后，对于北半球来说，地轴指向太阳的程度最大，6个月之后，地轴指向背离太阳的程度最大。这也就意味着，对于北半球的人们来说、6月21日正午，太阳在天空中的位置格外地高;而12月21日正午、太阳在空中的位置格外地低。6月21日，太阳光的集中程度最大因此阳光对于地表的升温作用高效;12月21日，阳光得到最大程度的延展、因此对于地表的升温就起不了太多作用。这就是为什么夏天更热，久天更冷，我们拥有一年四季的原因。四季产生的原因不是因为我们与太阳之间的距离变化，而是地轴相对于太阳的方向变化导致了阳光角度的变化。

地轴相对于太阳的角度变化见下页图。请注意，当北半球的地轴朝向太阳的时候，南半球的地轴则背向太阳，反之亦然。这也就是为什么南半球的人们在春天过万圣节，在夏天过圣诞节的原因。我猜《我渴望一个绿色圣诞》这首歌曲在澳大利亚也许很有市场……

四季是由于地轴的倾斜角而产生的

夏季，太阳在空中的位置更高

另外，还有一个原因使得四季更加分明:因为地轴倾斜角的存在，太阳在夏季天空中的位置更高--如我们肉眼所见。这也就意味着一天之中我们看到太阳在天空中所经过的距离更长。这一点则使得太阳有更多的时间来加热地球。我们不光得到了相对更加直射地面的光，而且阳光照射的时间也比平时要多。双管齐下!太阳在冬季天空中的位置不够高，因此白昼也更短。于是，阳光能使地球升温的时间也就更少，让冬天冷上加冷。

如果地轴倾斜角不存在，那么无论你在地球的什么位置，日夜的时间都是相同的12小时，四季将根本不会存在。

让我们再来看一眼上页图。图中显示。1月，地球与太阳之间的距离更近。好了、这一下铁板钉钉，证明了地球与太阳之间的距离变化并不是四季产生的主要原因。如若不然，生活在北半球的我们应该在1月过夏天，半年之后的6月过冬天。既然现实与上述假设正好相反，那么距离因素在四季产生的过程中所起到的作用想必也不是太大。

然而、我们并不能够完全地忽略距离因素。距离对于四季变化确有影响、虽然并不是很大。对于生活在北半球的诸位来说，这意味着我们的冬天要相比地球公转轨道是正圆的情况下平均暖和上几摄氏度，因为在冬天我们与太阳之间的距离更近。相应地，北半球的夏天要凉爽一些，因为我们与太阳的距离更远。这也意味着，生活在南半球的人们的夏天比北半球更热，冬天比北半球更冷。

然而，实际上这个问题还要更加复杂。我们的南半球几乎被水覆盖。

如果不信，你可以找一个地球仪自己看看。相对于土地来说，水的升温和降温过程都要更慢一些。这一点在地球的热量安排上也起到了相当的作用。现实中南半球的夏季与冬季的气温事实上和北半球差不多。赤道以南存在的大量水作为隔热物质保护着南半球，使其不会受到大幅度气温变化的干扰。

三、地球进动效应对四季交替现象的影响

神奇的是，这些还不是故事的全部。我之前说了，地轴总是指向天空中的一个定点，但是我撒谎了。读者们请原谅我，之前我那样说是因为不想让我们的讨论看上去过于复杂。事实是，地球的地轴是会移动的、它缓慢地横跨天空。

小小跑个题:小时候，我的父母给我买过一个玩具陀螺。我很喜欢转它，观察它在地板上留下有趣的运行轨迹。我还注意到，一旦陀螺的旋转速度慢下来，它就开始来回地摇晃。那个时候我太小，还不理解那是为什么、但是现在我知道了摇晃的原因是由于旋转的陀嫘所受到多种力的相互作用。如果陀螺的旋转轴不是绝对垂直的，重力就会让陀螺歪向一侧。产生了在物理学上称为扭矩的作用。因为陀螺在旋转。你可以认为这种力在水平方向上使得陀螺发生偏斜，使其慢慢地晃动。如果你在太空中玩陀螺、然后截它一下，让它稍微歪斜，也会发生同样的事情。旋转轴会开始晃动、在空中画小圆圈，你戳得力度越大，它画得圆圈也就越大。

这种绕轴转动被称为进动，它产生的原因是任何作用于陀螺上的与其旋转轴方向不平行的力。对于一切受力的旋转物体来说，进动都存在。当然了，我们的地球也在旋转，就像一只陀螺，恰好也受力:来自月球的万有引力。

月球围绕着地球旋转，对地球产生引力。月球对地球的“拉力”就好比从偏离旋转轴的方向戳一只正在旋转的陀螺，地球的地轴自然会产生进动。地轴的位移在天空中形成了一个圆锥面，轴截面顶角为47°，恰好是地轴倾斜角的两倍。这并不是巧合。地轴相对于黄道面水平轨道垂直方向的倾斜角是固定不变的，总是23.5°。然而，地轴指向天空的方向却随着时间的变化而变化。

地球进动示意图(1)-拍摄于上海天文馆

地球进动示意图(2)-拍摄于上海天文馆

地球进动效应很缓慢，地轴需要26000年才能画完一个圈。不过，这个过程还是可测量的。目前，地球的北极极轴正指向北极星，这也就是我们将这颗恒星命名为北极星的原因。但是地轴并不总是指向北极星的，过去不是，将来也不会是。随着地轴的进动，它在天空中所指的方向也在发生变化。大约公元前2600 年，地轴指向的是右枢(亦称“紫微右垣一”)。是天龙座内最亮的一颗恒星。到了大约公元14000年，地轴将会指向明亮的织女星附近。

进动是一个让天文学家有些头疼的现象。为了测量天文物体的具乐位置、天文学家也用网格标记天空，就好像地图绘制者用经纬标记地球校面。天空的北极点与南极点对应地球的北极点和南极点，但是天空的北物点随着进动过程也在移动。想象一下，在地球上的你试图给东南西北定位、可是如果北极总跑来跑去，那会多么麻烦。你必须知道北极到底在哪里、才能知道你要去的是什么方向。

天文学家在面对天空的时候遭遇了同样的问题。他们测量某个天体的位置时、必须将地轴的进动考虑进去。进动的影响并不算太大，大部分天图只需要25~50年更新一次就好。但是，对于像哈勃空间望远镜之类对于朝向精度要求极高的望远镜来说，进动产生的误差则尤为关键。如果我们在计算天体位置的过程中没有考虑进动因素，那么这个天体很有可能根本不会出现在望远镜的视野之中。

进动对于天文学家的影响是即时的，但是对于四季变化的影响却是缓慢的。目前、地球的北极极轴在6月指向太阳。但是由于进动的影响，13000年后一-半个进动圆周期--地球的北极会在6月背离太阳，而在12月才朝向太阳。对于我们现在的日历来说，四季将实现彻底的翻转。

同样不要忘记，由于地球的椭圆形公转轨道，1月我们与太阳的距离最近。所以，从现在开始，半个进动周期之后，对于北半球来说，彼时的夏天正好是地球与太阳距离最近的时候，将更热;冬天也恰好是地球与太阳距离最远的时候，将更冷。季节变化将更加明显。对于南半球来说，四季的变化将比现在更加温和，因为南半球的夏季正好是地球与太阳距离最远的时候，而冬季则是地球与太阳距离最近的时候。

后有来者意味着前也有古人:在距今13000年前，四季与今天是相反的。在北半球，夏天比现在更热，冬天比现在更冷。气候学家根据这一点、推断当时地球上的情况或许和今天迥异。地轴指向的缓慢变化甚至可能正是撒哈拉沙漠形成的原因!每年地轴进动的影响或许微不可见，然而经过一个个世纪、一个个千年，微小的改变也会积少成多。大自然展现给我们的往往是蛮横又迅猛的一面，但是同样也可以行事微妙。这都取决你看事情的角度。

好了，这一讲就到这了。

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