你真的知道夏天為什麼比冬天熱嗎?

2021-01-16 PeJoy說科學

歲月匆匆,炎熱的2019年夏天轉眼又將一逝永不回地從身邊溜過!注1不管你是喜熱怕冷或好冷惡熱,相信每個人都感覺到熱天的時間似乎是越來越長了!

在全球暖化的現在 ,小編身處的廈門雖然已經步入了本秋高氣爽的十月,在這個再過不久就入冬的季節裡,應該是十分涼爽的,但是夏天殘留的熱度卻沒有明顯減退,大部分時間還是十分的炎熱!這快速越來越熱的原因,目前大部分的科學家均認為是因為人類大量製造二氧化碳的結果,可是……早在有人類之前,夏天就比冬天炎熱多了,你知道為什麼嗎?

不知道應該不會太丟臉,因為在1987 年一項對世界頂尖之哈佛大學畢業生訪問時,製片人發現在隨機取樣的23 位畢業生中,只有兩位真正知道為什麼夏天比冬天炎熱!

迷思一:地球繞日軌道是橢圓形的,夏天比較靠近太陽

筆者記不得是什麼時候首次被問到和想到這個問題,但卻清清楚楚地記得當時直覺的答案是:因為地球繞日的軌跡是橢圓,當地球最近太陽時,當然就是夏天。相信這也是一般人最常見的答案(參見上面所提到之哈佛大學訪問紀錄片)。

因此科普作家、諾貝爾物理獎得主雷德曼(Leon Lederman)在「上帝的粒子(God Particle)」一書中,在提到上面那一調查的結果後,立即謂「順便說一下,答案並不是因為地球在夏天最近太陽」!

為什麼大部分人都犯了這樣的錯誤呢?除了「直覺地想當然耳」外,這可能要歸咎於報導科學的報章、雜誌、及書籍了:為了強調地球繞日的軌跡不是圓的,它們大都將橢圓形狀過度誇大了。例如下圖就是由「互動百科」地球繞太陽公轉一文中拷貝下來的地球繞日軌跡:

英文的「Wikipedia」 Earth's orbit一文中誇張得更厲害了:

雖然文章中提醒讀者謂「該圖顯示了地球軌道的誇張形狀;實際軌道不像圖中那麼偏心」,但一般人是不會注意,只對圖形留下深刻的印象!事實上說地球繞日的軌跡是圓的可能還比較恰當:離太陽最近是冬天的一月,為1.47億公裡;最遠時反而是炎夏的七月,但也只有1.52億公裡──遠了不到4% !

迷思二:地球自旋軸傾斜讓北半球接近太陽

網絡上的答案幾乎全謂是因地球的自轉軸是傾斜的關係(見下圖),然後解釋說:當北半球朝向太陽傾斜時,因為最接近太陽,所以最熱,即北半球的夏天;冬天則正好相反,南半球朝向太陽傾斜注4,故南半球較熱(該地的夏天)。

從圖中我們可以看出,在北半球是夏天時,北半球確實是比較靠近太陽的,但相差有限(地球的直徑才13,000 公裡而已)!前面說過,距離相差0.05 億公裡的繞日軌跡上兩點都不會造成冬夏之分,這微不足道的有限距差,怎會造成地球的四季呢?因此這一解釋是不對的!

解答在此:自轉傾斜,影響了太陽光照的角度

當光線垂直照射在地球表面時(表面與光線垂直),單位表面面積所接收到的能量強度將最大;如果表面與太陽光線成45° 相交時,單位表面面積所接收到的能量就只有前者的71%而已!從上圖我們可以看出,在夏天時,北半球表面大約有1/3 的表面在中午時都是與太陽相當直角,而南半球則全在太陽斜照下!

這正是雷德曼的解釋:「地球的旋轉軸是傾斜的,所以當北半球朝向太陽傾斜時,光線更接近於垂直的表面,一半的地球因此享受到夏天; 另一個半球得到斜射線——冬天。 六個月後情況發生逆轉。」這種正確的解釋也出現在少數的網絡文章裡。

但是小編認為這只是部分因素,迼成夏冬溫差那麼大可能還有另一原因,那就是夏天時北半球受到陽光照射的時間比冬天長得多:例如北極整天都是白天(冬天時整天都是黑暗),舊金山日光照射的時間15 小時(冬天10 小時),廈門白天的時間14 小時(冬天11 小時)。但因為這些多出來的時間大多是太陽斜射,所以小編就不知道是不是比較重要(有興趣的讀者不妨研究一下)。

科普的重點不是知識,而是邏輯與分析能力

雷德曼之所以提到哈佛大學的問卷結果,是因為有感於科技與日常生活越來越密切,在一個民主國家裡,如果民眾缺乏科學知識,如何能當國家的主人,參與政策的決定呢?相信所有的讀者都跟小編一樣,完全同意這一看法!但你答對了嗎?說來慚愧,自認為是科普知識廣博的小編,直覺的第一個答案竟然是錯的!

小編希望大家可以多學習點數學與物理,事實上一點都沒有希望每一個人都成為科學家,而是認為數理可以訓練邏輯思考與分析的能力。在這一科技飛速發展的時代裡,唯有具有這樣的能力才不會被淘汰。具有廣博科技知識是很好的,但如果缺少分析能力,是很容易被「花言巧語」辯倒的!

可悲的是,在越來越急功近利的社會裡,公司要找的新血常是要有經驗的畢業生(使得大學越來越像是一個職業訓練中心),而不是有基礎、肯學習及具分析思考能力的本科生。還有,小編覺得大家可以多多寫作:你可以完全「不負責任」地回答考卷,但要「白紙黑字」地寫下來,那可得深思,確定每個論點的正確性!

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