1.13 有關地球公轉的三個假設

有時候，當我們要對一些習以為常的現象進行解釋的時候，常常會感到難以下手，似乎比解釋那些特殊的事物還要困難。例如當我們非得在嘗試用七進制或者十二進制的時候，才意識到從小就學會的十進制計數法是多么簡便；又或者只有我們在開始接觸過歐幾里得的幾何學時，才察覺到歐幾里得幾何學的優點。而在天文學中，人們也常常通過對地心引力做一些假設的變化，以更好地了解它在生活中的作用。因此我們不妨也使用“假設”的方法，來對地球繞日運行的情形作一個更好的解釋。

我們在課本上學到過，地球運行軌道所在的平面與地軸夾角大約為個直角，即，下面我們來作個假設，如果這個角度就為90°，即我們想象地軸垂直于地球運行軌道的平面，會對我們的世界產生怎么樣的影響呢？

1.13.1 假設地軸垂直于地球公轉軌道所在平面

實際上，這個假設也曾在凡爾納的幻想小說《底朝天》中被炮兵俱樂部會員提出過。小說中的炮兵軍官企圖“把地軸豎起來”，使地軸與地球公轉所在平面的夾角變為直角，如果這個假設成立，自然界會發生什么不一樣的地方呢？

首先產生變化的是小熊座α星，也就是如今地球上看見的北極星，將不再是“北極星”了。因為隨著上述夾角的改變，整個星空都將會繞空中的另外一個點旋轉，這意味著，這顆星將不再落在地軸延長線附近了。

第二個改變發生在四季的交替上，或者應該說，四季交替將會消失。解釋這件事讓我們先從現在季節交替的根據說起。問你一個最為簡單的問題：你知道為什么夏天會比冬天熱嗎？

以北半球為例，夏季比冬天更熱的原因在于以下幾點：第一，因為地軸與公轉軌道的平面是有角度的，所以地軸的北端會離太陽更近，因此白天比黑夜更長。所以太陽照射在地面上的時間本身就比較長，而且由于夜晚太短，地面沒有足夠的時間散熱，就造成了吸熱多、散熱少的情況。第二，同樣是因為地軸與公轉軌道平面有夾角，所以太陽光線與地面所成的角度也更大，這意味著，夏天地面接收太陽的照射不僅時間更長，而且程度更大。而冬天卻恰恰相反，不但時間更短，程度更小，而且夜晚還有更多的時間散熱。

在南半球其實也一樣，只不過發生在6個月以后（或者以前）。而冬夏之間的春秋兩季之所以氣候相像，是由于南北極與太陽的相對位置一樣，地球的光暗分界線與經線幾乎重合，所以白天跟黑夜的時間幾乎等長。

但是一旦地軸垂直于公轉軌道平面，四季的這些變化都將消失。因為此時地球與太陽的相對位置永遠固定，也就是說，地球上的所有點永遠只處在一個季節當中，相當于我們現在的春季或秋季。全球各地將永遠晝夜等長，如同我們現在的3月和9月下旬，或者在木星上的情況。

這個變化將在如今所說的溫帶中比較顯著，在熱帶則改變不明顯，而在兩極上氣候將與現在相差甚遠。因為大氣的折光作用，兩極上的天體位置都會微微提高（圖1-16），所以太陽將一直在地平線上浮動而不落下，換句話說，也就是兩極上永遠都是白晝，說準確點兒，是永遠都將處于早晨。雖然那時太陽會一直處于一個較低位置，斜射無法帶來很大的熱量，但由于全年持續的照射，現在嚴寒的極地氣候也將變得溫暖和煦，這也算是地軸豎直所帶來的唯一好處，不過這畢竟無法彌補改變對地球其他地區造成的不良影響。

1.13.2 假設地軸與地球公轉平面夾角為45°

我們不妨再作一個假設：這一次地軸與公轉平面的夾角不再是直角，而是直角的一半，即45°角。在這個改變之下，春秋分日將依然和現在無異，是晝夜平分的。但在6月，太陽將處于緯度45°的天頂，而不再是，所以那時的緯度45°將會出現熱帶的氣候。而在圣彼得堡所在的緯度60°，太陽距離天頂也只有15°，在這個太陽高度下，當地的氣候也與真正的熱帶無異了。同時，溫帶將會消失，熱帶與寒帶直接相連。在整個6月，莫斯科、哈爾科夫都將處于極晝。冬季恰恰相反，在整個12月，莫斯科、基輔、哈爾科夫、波爾塔瓦等城市都一直是極夜。而熱帶在冬季會出現溫帶氣候，因為中午太陽高度將在45°以下。

所以這個假設將給熱帶和溫帶帶來不少損失，只有極地地區受到了一些恩惠：在經過比如今要更加嚴寒凜冽的冬季以后，兩極會迎來如溫帶一樣的溫暖夏季，中午太陽高度也將達到45°，并持續整整半年。因此，在溫暖的陽光照射下，南北極的冰雪將不復存在。

1.13.3 假設地軸就處于地球公轉平面上

第三個假設更加瘋狂，假設如同太陽系遙遠的天王星一樣，地軸就處在公轉的平面上（圖1-17），地球同時“躺著”圍繞太陽旋轉和繞軸自轉，又將帶來什么新的變化呢？

在這個假設下，極地附近的地區將會出現長達半年的白晝與長達半年的黑夜。在這半年的白晝里，太陽將沿一條螺旋線慢慢從地平線上升到天頂位置，然后再沿螺旋線慢慢降落到地平線之下。晝夜交替之時則會出現連日不斷的微明，因為在太陽尚未完全落入地平線的時候，會一連幾天起伏于地平線附近，同時圍繞天空旋轉。到了夏季，那些冬天積累的冰雪都將迅速融化消失。中緯度的各地，白晝將會從春季開始變長，直至出現極晝。

前面提到過，這種運行情況跟天王星很類似，因為它的自轉軸與它繞地球公轉的軌道平面夾角僅有8°，你也可以把它看作是“躺著”繞太陽公轉的了。

在這三個假設之下，我們對地軸傾斜度與氣候情況的關系大概有一個比較清晰的了解了。原來“氣候”一詞在希臘文中作“傾斜”之意，看來也并非偶然。