为什么夏天会变成秋天

季节交替：为什么夏天会变成秋天

蹩脚天文学的一些实例是有害的。它们听起来有道理，甚至与其他一些先入之见以及中学科学课上半信半疑的东西相符。这些观点真的会在你头脑中扎根，并且很难清除。

其中最顽固的一个也许就是季节产生的原因。

季节可能是天文学对我们的生活最显而易见的影响了。在我们这颗行星的大多数地方，夏天都会比冬天热得多。显然，最容易理解的解释是我们与太阳的距离。离一个热源越近，你就会感觉越热，这是一个常识。太阳是所有热源中的老大也是一个常识。只要夏季时在大白天从树荫下走过，我们就可以确信这一点。要是地球以某种方式跟太阳靠得较近，它的温度会上升很多，而如果离得较远，我们的温度就会降低，这真是太有道理了。嗨，你在中学的科学课上不是学过地球绕太阳沿椭圆轨道运行吗？所以地球的确有时离太阳较近，有时离得较远。这一推理过程看来似乎不可避免地表明，地球轨道的椭圆性是导致季节形成的原因。

不幸的是，这个推理过程漏掉了几个关键步骤。

的确，地球沿椭圆轨道绕太阳运行。如今，我们通过对星空的细致测量而了解了这一点，但是它并没有显著到导致季节形成。数千年来，太阳被认为绕地球转动。1530年，波兰天文学家哥白尼（Nicolaus Copernicus）首先发表了他关于地球绕日转动的学说。问题是，他认为地球（以及所有行星）是沿着正圆轨道运行的。当他试图使用这一学说来预测行星在天空的位置时，却出了错。事实上，他不得不含糊其词，以使自己的模型行得通，而该模型在预测行星位置上从来就没真正起过好作用。

17世纪初，德国天文学家开普勒（Johannes Kepler）将研究向前推进，计算出行星按椭圆轨道运行，而不是圆形。如今，生活在400年后的我们仍然使用开普勒的发现来计算行星在天上的位置。我们甚至将他的发现用于设计飞向那些行星的空间探测器的轨道；想象一下如果开普勒知道了这件事的反应！（他可能会说：“嗨！我已经死了350年了！你怎么拖了这么久？”）

但是开普勒的椭圆轨道有一点不好；它迎合了我们的常识，并且让我们有可能贸然得出错误的结论。我们知道行星——包括我们所在的这一颗——绕太阳按椭圆轨道运行，因此有时我们离太阳更近一些，而有时则较远。我们还知道距离在我们所感觉到的温度方面扮演了重要的角色。我们因此做出合乎逻辑的推论：季节是由我们与太阳之间不断变化的距离所引起的。

不过，除了常识，我们还有一个可用的工具，那就是数学。事实上，天文学家们测量过一年内地球与太阳的距离。用数学方法将距离转换为温度并没有那么难，它一般会作为天文学专业大学生的一道家庭作业题。我将省掉计算细节而只给出答案。令人惊奇的是，季节之间由距离变化所带来的温度变化仅为4℃（大约7埘）。热带的人对此一点也不诧异——在他们那儿，当地温度在一年之中并没有太大的变化，但可能会让缅因州的人颇为震惊，在那里，季节温差大约为44℃（80埘左右）。

很明显，导致温度变化如此之大必定另有原因。这就是地轴的倾斜。

想象一下绕日运行的地球。它绕椭圆轨道运行，而这个椭圆定义了一个平面。换言之，当地球绕日运行时，它不会上下摆动，它始终保持在一个完美而平坦的轨道中。天文学家称这个平面为黄道面。在绕日运行的同时，地球还会像一只陀螺一样绕自己的轴旋转，一天转一圈。你的第一个印象可能会认为地轴与黄道面垂直，但其实不然。实际上，地轴与垂直线有一个23.5°的倾角。你是否曾困惑于制造地球仪的人为什么要让地球的北极总是与垂直方向保持一个角度？因为地球就是倾斜的。它不是直上直下的。

这一倾斜可能不像是什么了不得的事儿，但它的意义是深远的。这里有一个你自己就能做的简单实验：拿一个手电筒和一张白纸。把房间里的光弄暗，打亮手电筒笔直向下照在纸上。你将看到光在纸上打出一个明亮的圆形。现在把纸倾斜一下，以使光大约以45°角照在纸上。看看光是如何延展的呢？现在它是一个椭圆形，而不是圆形了。但更重要的是，当改变照明角度时，注意看看椭圆形的亮度。它更暗淡些。打在纸上的光的总量没有变化，但是通过倾斜纸张可以使光延展开去。纸上有更多区域被照亮了，但光量被均分，因此每部分得到的光较少。如果将纸倾斜得更多，光会延展得更大，并且更暗。

这与地球的情况完全一样。花一点时间想象一下地球没有倾斜，而地轴真的与黄道面相垂直时的情形。现在假设太阳是一个巨大的手电筒，向地球照射下来。再假定你站在位于地球赤道的厄瓜多尔。对你来说，太阳在正午时分位于头顶上方，阳光直射到地面上。阳光高度集中，正像实验中当纸正对着手电筒时的情形一样。

现在，假设你在明尼苏达州的明尼阿波利斯，它恰好位于赤道与北极正中间的北纬45°。同样，阳光就像在实验中将纸倾斜时的情形一样延展开去。既然阳光正是地球升温的原因，这时每平方厘米的地面所获得的热量较少。彼处的地面未能从太阳获得那么多的温暖。照到地面的阳光总量是一样的，但它延展的面积较大。

图2-3　季节是由地球的倾斜引起的，而非缘自它与太阳的距离。在北半球，当地球的北极最大限度朝向太阳时是夏天，反之为冬天。请注意，在北半球冬季时，地球离太阳最近。

现在把问题推向极致，想象你在北极上。在那里，阳光几乎沿与地面平行的方向照射到地面，并且延展得非常之远。考虑这一点的另一个方式是，在北极，太阳从未离开地平线升到很高的位置。这就好像你将纸倾斜到几乎与手电筒平行时的情形一样。光延展得如此之远以至于它几乎根本就起不到什么作用。这就是在北极和南极会如此之冷的原因！太阳在那里与在厄瓜多尔和明尼阿波利斯一样明亮，但光延展得如此之远因而几乎不能使地面变得暖和起来。

图2-4　夏天，太阳升得较高。阳光更为集中地照射在地面。冬天，太阳较低，阳光延展开，很难有效使地面变暖。

事实上，地轴是倾斜的，因此情况有一点点复杂。当地球绕太阳运行时，地轴总是指向同一片天区，这种情形有一点像指南针：无论你面向何方，指南针的磁针总是指向北方。现在，把天空想象成包裹着地球的一个水晶天球。如果将地轴延长直到它与天球相交，你会发现，这个交叉点并没有位移；对处于地球表面的我们来说，它似乎总是指向同一片天区。对位于北半球的人们来说，地轴的指向非常靠近北极星。无论是在一年中的什么时间，地轴总是指着相同的方向。

但是当地球绕日运行时，太阳的方向发生了变化。在北半球，每年6月21日前后，地轴的指向最接近太阳的方向。6个月后，它将指向离太阳最远的方向。这意味着对于北半球的人们来说，太阳在6月21日的正午时分在天上的位置最高，而在12月21日的正午则最低。^[1]6月21日，阳光照射尽可能多地集中，因此有效地给地面加热。12月21日，阳光延展得最远，而未能有效给地面加热。这就是冬冷夏热的原因，也是我们拥有季节的原因。造成这种差异的原因不是地球与太阳的距离，而是太阳的方向以及因此导致的阳光照射的角度。

图2-4所示为地轴相对于太阳的位置。注意，当地轴在北半球朝向太阳时，在南半球则背对着太阳，反之亦然。这就是为什么南半球的人们在春天庆祝万圣节而在夏天过圣诞节。我不知道歌曲《我梦想一个绿色的圣诞节》（I’m Dreaming of Green Christmas）是否在澳大利亚流行……

还有一个麻烦之处：正如我们已经看到的，由于地轴倾斜，太阳在夏天升得较高。这意味着太阳似乎要在天上跑过较长的路程，因此太阳白天挂在天上的时间也较长。这也因此给了太阳较多时间使地球升温。不仅我们会获得较多直射阳光，阳光照射的时间也会较长。真是祸不单行！冬天，太阳升得没那么高，因此白天较短。太阳用来使地面升温的时间较少，因此地面也较冷。如果地球没有倾斜，白天与黑夜就会各占12小时，无论你在地球的什么地方，我们都根本不会有季节之分。

再来看图2-3。图中显示，地球在1月份其实离太阳最近。对于认为与太阳的距离是我们拥有季节的主要原因这一误解来说，这正是致命的一击。如果我们与太阳的距离真是导致季节的原因，那我们在北半球就会在1月过夏天，而在几个月后的6月过冬天。既然情况正好相反，那么距离在季节游戏中必定只是一个小角色而已。

不过距离也不可以完全被忽略。距离在季节中的确起作用，尽管是一个次要的作用。对于北半球的人们来说，这意味着相比于地球沿正圆轨道绕太阳运行时的情况，我们的冬天应该平均高出那么几度，原因是在冬天我们离太阳更近。相反，夏天则会更凉快几度，因为我们距离太阳更远。它还意味着，南半球的人们在夏天会比北半球更热一些，而冬天会比北半球更冷一些。

事实上，情况要复杂得多。南半球大部分是水。如果愿意，可以找一个地球仪亲眼看看。水升温与冷却都比陆地慢，这在地球热量累积中也起到了作用。正如已得到证实的，南半球的夏天像北半球一样热，冬天则几乎像北半球一样冷。赤道以南大面积的海洋起到了某种缓冲作用，防止了南半球温度的大幅波动。

令人惊讶的是，这个故事还有更多东西要讲。我前面说过地轴在空间中是固定的，但我扯了谎。原谅我；在这一点上我不想把事情搞得太复杂。事实是，地轴的确在移动，缓慢地划过天空。

稍稍跑题一下：在我还是个孩童时，父母给我买了一只玩具陀螺。我那时常常喜欢让它旋转起来，看着它以一种有趣的方式在地板上移动。我还注意到，当它的旋转开始慢下来时，它就会开始摇摆。我那时太小而无法理解，但现在我知道了摇摆的原因在于作用在旋转的陀螺上的复杂的力之间的相互影响。假如陀螺的轴并不完全垂直，重力会拖曳着陀螺偏离中心。这被称作扭矩。因为陀螺在旋转，你可以认为这个力产生的偏转是沿水平方向的，它使陀螺缓慢摇摆。假如陀螺在空间中旋转，你轻推它使其偏离中心，结果也是一样的。轴会摆动，划出小圆圈；推力越大，它摆动的圈也越大。

这一摆动被称为进动，它是由作用于陀螺上的牵引力造成的，这种牵引力与轴不在一条直线上。对于任何旋转物体，当受到某种外力后就会发生进动。地球当然也在旋转，恰如一只陀螺，并且的确有一种力作用于其上：月球的引力。

月球绕地球运行，并通过引力与地球相互牵引。月球作用在地球上的力所起到的作用正是一个使其轴发生偏离的力，并确定无疑地引起地轴的进动。它在天上划出一个直径47°的小圆圈，这正好是地轴倾斜角的两倍大小，地轴倾斜角并不与地轴进动同步变化。地轴相对于黄道面——轨道平面——的倾斜度不变,始终是23.5°。不过，地轴在天空中的方向是随时间变化的。

这一效应是缓慢的，地轴进动的周期大约是26 000年。尽管如此，它还是可以测量到的。此刻，地球的北极轴指向北极星，这是一颗位于北天极附近的恒星，而这也正是它得此名的首要原因。但它并不是——也将不会——一直指着那个方向。由于进动，地轴会指向天球上不同的点。回到大约公元前2600年左右时，地轴指向天龙座α（中名“右枢”），这是天龙座中最亮的一颗恒星。到公元14 000年左右，它将指向明亮的织女星附近。

对于天文学家来说，进动有一点令人头痛。为了测量天体的位置，天文学家们已经绘出了天空的网格图，这很像是地图绘制者们给地球表面画上的经纬度。天空的北极和南极与地球的北南两极相对应，但北天极因进动而不断移动。想象一下，在北极始终飘忽不定的情况下如何用北、南、东、西来找出地球上的方向。这时，你必须要了解北极在什么地方，以便借助它来判断方向。

天文学家对于星空也有相同的问题。在测量一个天体的位置时，他们必须考虑地轴的进动。这个变化非常小，因而大多数的天图都只需每25—50年更新一次即可。这对于像哈勃太空望远镜这样必须以令人难以置信的精确度来对准目标的望远镜来说尤其重要。如果在对一个天体方位进行计算时没有将进动考虑在内，天体甚至有可能就不在望远镜的视野之内。

进动对天文学家的影响非常直接，但是对季节来说，它的影响则缓慢得多。就在此刻，地球的北极轴冲着太阳的方向，而地球距离太阳最远。^[2]但是由于进动，从现在起再过13 000年——半个进动周期，当地球位于其运行轨道的远日点时，其北极轴将会背对着太阳，而6个月后，当地球位于轨道的近日点时，北极轴将会朝向太阳。不同季节地球在轨道上的位置将与现在的正好相反。

因此，从现在算起再过半个进动周期，地球的北半球将会在地球距离太阳最近时处于夏天，因而会更加炎热。而当地球距离太阳最远时则是冬天，会更加寒冷。四季变化将会更为剧烈。在南半球，季节将会比现在更为温和，因为他们会在地球离太阳较远时经历夏天，而当地球离太阳较近时经历冬天。

这还会以另一种方式来变化：13 000年前，季节完全相反。在北半球，夏天更热而冬天更冷。气候学家们运用这一事实说明，那时的一切可能会完全不同。地轴方向的缓慢变化可能就是撒哈拉变成一片沙漠的原因！逐年的进动变化可能几乎无法觉察，但经过数个世纪、数千年，甚至很小的变化也会累积起来。自然常常是严酷无情而又迅速变化的，但它也会呈现出异乎寻常的细致精巧。而这完全要看你怎么想了。

【注释】

[1]准确地说，应该分别在6月22日和12月22日前后。——译者

[2]由此可知，作者写作这一章时正是夏天。——译者