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关于四季温度变化的追问

已有 2449 次阅读 2022-7-6 11:00 |个人分类:小科普|系统分类:教学心得

      地球上四季温度变化造就了丰富多彩的生命现象。那么,四季温差、冬冷夏热是因为地球在夏天离太阳近,在冬天离太阳远吗? 这当然不对。如今绝大多数人都知道这个说法是错的,实际上,七月份地球在远日点,一月份地球在近日点。其原因是地球倾斜自转所致。

地球绕日的公转轨道极其接近一个完美的圆圈,因此,公转轨道半径的变化不影响地球冷热,对吗?

       近日点和远日点相差500万公里,距离相对变化约3.3%,如果没有其它因素,3.3%的距离变化,足以引起明显的温差。造物主把地球轨道设计为椭圆,这不一定是为了制造一个浪漫的跌荡起伏。宇宙万物的结构和规律都是差之毫厘、谬以千里。如果没有3.3%的差距,那很可能地球温度不适合生命,就象地轴倾角如果稍有不同,则地球生命不会产生的道理一样。

太阳光线在冬天穿过大气层的路程比夏天的长,因此冬天阳光被大气吸收的多,夏天阳光被大气吸收的少,造成了夏热冬冷,对吗?

      错!该路程并不是一月份的比七月份的长。而且这两个路程长度在亿分之一的位数上,都是相等的。 

太阳、地球都是对称的圆球,运行恒定不变,为何阳光投射到地球时,会产生直射和斜射? 

       因为地球自转轴与其轨道平面的夹角为锐角,这就导致在地面上同一点,光线投射角随时间发生连续而周期性的变化,在远日点和近日点就会出现直射和斜射,见图1所示。如果地球自转轴与轨道平面平行,或垂直,那么光线投射到地球固定位置上的角度将一成不变(图2)。

投射角1.png投射角1.png

图1. 地面上同一点的自转到五个位置(1-5),由于地球转轴倾斜,五个位置上阳光投射角是不同的。位置1光线投射偏斜、弱光,位置5光线投射较正、强光。在远日点,5是白天(热)、1是夜晚;在近日点,1是白天(冷)、5是夜晚。南半球正好相反。


投射角2.png

图2. 如果自转轴是垂直的,那么,在地面上某一地点,阳光投射角是恒定不变的,但不同纬度上的投射角是不同的。如果地球自转轴是水平的,也类似。

       相同能量的光线,斜射时的投射面积,比直射时的投射面积要大,因而光线斜射时,地面接收的能量小,地表温度将慢慢降低,从而导致四季温度的变化。同时,冬天的太阳看起来在天空的视角位置变低,在天空划过的路径变短,昼短夜长,日照时间比夏天少,这也是夏热冬冷一个重要原因。四季温度变化存在一定的积累滞后,也受到海洋、森林、大气对流等多种因素的影响。

既然冬天里阳光斜射地球,那么,冬天里,我在地球上就无法正对阳光光线吗?

       不!你想怎么对都可以的。取一木板,上面钉上一颗钉子,钉子和木板垂直。将木板对着太阳,多角度地转动,当钉子在木板上的影子最小时,就是正对阳光了,亦即此时阳光直射木板。

冬天阳光直射木板,为何木板的温升远不如夏天的高?

       这是大气层在作怪。因为冬天大气温度低,阳光穿越大气层时,因冷空气吸收、对流和传导而散失了不少能量,到达地面的阳光变得柔弱温和。除非在无大气环境里,比如在月球上,见阳光死热,没阳光死冷,就是那么干脆、极端,更不存在四季之别。

山顶温度比山脚温度低,其道理是否和近日点为冬天的道理相同?

        完全不同。事实上,南半球在近日点为夏天,在远日点为冬天,与北半球相反,但地球上所有地方,都是山顶温度比山脚温度低,虽然山顶离太阳更近。这也是大气造成的结果。地球重力使得山脚大气密度、水汽含量都高于山顶,二者都具有温室效应,地面也存在多种热辐射使得近地面的温度高。总之,大气是影响温度、气候的主要因素。 




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