地球的概况与春夏秋冬的产生

地球的概况与春夏秋冬的产生_我想知道的西方科

第二十六章　地球的概况与春夏秋冬的产生

从这一章起我们来讲地学，不过，与前面的天文、数学、物理、化学不同的是，这一章我们不再讲地学史了，也不再专门讲某个伟大的科学家了。为什么呢？因为地学虽然是距我们最“近”的学科——它讲的就是我们脚下的大地即地球，但它还是一门比较年轻的学科，也没有诞生过那些我们耳熟能详的伟大科学家，因此没有专门的地学史好讲，也没有人好讲了。但这却并不意味着地学没东西好讲，相反，它可讲的东西很多、很重要、而且很有意思。

地学是地球科学的简称，是研究地球的科学。

地学其实是一个笼统的名字，在它下面包括大量其他学科，而且这些学科基本上都相互独立、互不隶属。主要有：地理学、地质学、气象学、海洋学、土壤学、水文学、测量学等。

但我们在这里不打算具体地介绍这些学科，而是直接来了解地球。

—地球概况—

在辽阔无垠，或者以爱因斯坦的说法，有限无界的宇宙之中的某处，有一个普通的星系，那就是银河系。

银河系整体的样子像一个圆盘，天文学家们称为银盘，其直径约10万光年，组成它的恒星约有1千亿颗。

在位于银河系比较边缘的地方，距银河系的中心约3万光年之处，有一个太阳系。

地球就位于太阳系之内，是围绕太阳运转的一颗行星。

地球有四种运动：

第一种是宇宙大爆炸后与所有其他天体一起不断地从爆炸的中心向四周飞散。

第二种是与太阳系其他天体一起环绕银河中心的运动。其速度约是每秒260公里，一天则超过2千万公里。

第三种和第四种就分别是公转和自转了。

—公转—

公转简言之就是地球绕着太阳运转。不过，这听起来好像地球在绕着太阳这个球体的球心在旋转，这是不对的。事实上，地球所绕之旋转的是地球与太阳的共同质量中心，太阳与地球在同时环绕这个中心旋转。不过，由于地球与太阳之间的质量太过悬殊——太阳质量是地球的30多万倍，这样一来就使得地球与太阳的共同质心几乎就是太阳的中心了。

由于太阳系里除地球外还有其他许多天体，它们也在与地球一样公转，因此太阳实际上还不是处在它与地球的共同质量中心，而是整个太阳系的共同质量中心。当然，即使这样，这个中心也几乎就是太阳的中心。

我们知道，椭圆有两个焦点和一个中心，中心就是长轴与短轴的交点，所谓偏心率就是中心与焦点之间的距离。如图：

太阳就位于F₁、F₂两个焦点之一上，这个图看上去比较扁，它只是一个标准的椭圆，而不是地球公转轨道的真实形状。

如图，由于地球处在椭圆轨道的边缘而太阳处在椭圆的焦点，就必然使得地球公转时在不同时间与太阳的距离也不同：有时距太阳近，有时则远，这就是近日点与远日点产生的原因。

还有，由于地球绕太阳公转一周的时间是固定的，因此也使得这种近日点与远日点之间交替出现，大约在每年一月，太阳经过地球的近日点，每年七月则经过远日点。

这时也许您会问，为什么在太阳距我们最近时，反而是最冷的冬天呢？而当太阳距我们最远时倒是最热的夏天了，真是奇哉怪也。这等到后面我们讲四季的形成时就明白了。

地球公转一周的时间是一年，但在天文学上有四种年，分别是恒星年、回归年、近点年和交点年。

我们知道，所谓一年其实就是地球绕太阳公转一周所需要的时间，太阳是年复一年地公转着的，要测量公转一周所需要的时间，就得先找准一个参考点，然后等太阳第二年再转到这儿来时，看要花多少时间，这就是一年的长度了。

这样的点可以找到四个，分别是恒星、春分点、近日点、黄白交点。当地球以这些点为起点绕太阳一圈时，它们分别构成了恒星年、回归年、近点年和交点年。

这些起点中，春分点和近日点比较好理解。前者指地球上春分那一天地球所在的位置。两个春分点之间的时间间隔就是一年。这样一年的长度约为365.2422日，被称为回归年。近日点就是地球最靠近太阳的那一天所在的位置，太阳连续两次经过近日点的时间间隔就是一个近日年，其长度是365.2596天。

四个点中最不好理解的是交点年，要理解交点年首先要理解交点，要理解交点则先要理解黄道与白道。

黄道与白道是天文学中两个十分重要的概念。大家都知道，地球在绕着太阳转时并不是垂直的，就像直立在桌子上的铅笔一样，而是像我们用铅笔写字时的样子。这时，笔杆与桌面之间就有了一个角度，大概是这样的：“”。

我们可以看到，在铅笔与桌面之间有一个交角，地球在绕太阳转时正是像这时候的铅笔的样子。也就是说，地球是斜着转的，地球的轨道平面，即黄道面，与天球赤道面之间有一个交角，约为23°26′。什么是天球的赤道面呢？就是我们将整个的天穹，以地球为中心假想成为是一个巨大的球体，即天球。既然它是一个像地球一样的“天球”，那当然也像地球一样有赤道、两极等了。它的赤道就是天赤道，而赤道平面所截的平面就是赤道面，极就是天极。而且，由于天球是地球的延伸，因此天赤道其实也就是地球赤道假想向天空无限的延伸，而天极就是地球自转轴与那个天球的假想交点。

这些都可以用下页的图来表示：

从图中我们看得出来，那个标着轨道面的就是黄道面，它外面那一圈就是黄道。标着赤道面的就是天球的赤道面了。在天球赤道面与黄道面之间有一个23°26′的夹角，而在天极与黄道面之间则有一个66°34′的夹角，它们合起来正好是90°。地球就是这么斜着绕太阳转的。这个23°26′的夹角被称为黄赤交角。这个角度也是地球一年四季的成因，这些我们后面还会细谈。

我们还看得出来，黄道与天赤道有两个交点A与B，它们就是春分点与秋分点了，它们又被称为白羊宫第一点和天秤宫第一点。

前面我们谈了黄道，并顺便谈了天球与天赤道，除了它们而外，还有一个白道。所谓白道，简而言之就是月球绕地球公转的轨道，它所形成的白道面与黄道面也有一个交角，就像前面天球赤道面与黄道面有一个交角一样，并且，白道与黄道像天球赤道与黄道之间有两交点一样，它们也有两个交点，称为黄白交点。

至此，什么是交点年就清楚了：它就是地球两次经过同一黄白交点的时间间隔。它长约346.6200天。看得出来，这个年比前面的回归年与近点年都要短了十多天，这是因为黄白交点每年都要沿着黄道向西走不少距离，称为“交点退行”。这就等于是它自己跑上前去迎接转过来的地球一样，当然所需的时间最短。

恒星年很简单，但却是最为真实的一年，因为只有它才是地球真正绕太阳运转一周天，即整整360°所需要的时间。这是为什么呢？原因很简单：因为这里的参考物才是固定不动的。

前面回归年的基点春分点、近点年的基点近日点、交点年的基点黄道与白道的交点，都有一个共同的特点：它们是不固定的，而恒星年就不同了。恒星年就是以天空中某一颗可以看作是静止不动的恒星为参照物，从它经过的瞬间算起，再到下次又经过之时的时间间隔。不用说，在此期间地球才是真正地公转了一个周天，因此它的时间间隔才是最为精确的一年。

虽然恒星年最为精确，不过我们习惯上还是采用回归年作为纪年的标准。因为回归年有一个特点：它精确地反映了地球的季节变化周期。因为它是根据黄赤交角来定位的，而黄赤交角的存在决定着地球上一年四季的变化。

地球公转平均速度约每秒30公里，平均每天约运行260万公里，比毛泽东所言的“坐地日行八万里”要快多了！

—自转—

自转就是地球绕着自己转动，就好像芭蕾舞演员竖起脚尖像个陀螺似地打转儿一样，因此被称为“自转”。

地球自转是自西向东，呈逆时针方向。

也许这时有人问：为什么地球是转动的呢？我们可感觉不到呀。因为按常理说，要是我们真的站在一个自己转动的球上，不给转得晕晕乎乎才怪！

对这个诘问只能这样回答：这是因为地球实在太大了的缘故。我们不能亲身体验出地球自转带来的晕乎就像不能体验公转时那高速的运动一样。地球公转的速度达每秒30公里，比地球上最快的飞机都不知道要快多少倍，可我们地球上的人压根儿也体验不到，感觉倒好像地球是固定不动的一样呢。更玄乎的是，既然地球是一个球，那么我们生活在地球“反面”的人为什么不会往下掉呢？假使这时候是朝上的吧，但总得有个时候朝下，那时我们周围的东西连同我们自己为什么不劈里啪啦往下掉呢？我们甚至根本感觉不到自己是朝下的呢！

这一切都是为什么呢？为什么我们不会有按常理来说应该有的感觉？对所有这类问题的回答，我们都只能回答：这是因为地球实在太大了的缘故，因此人的感觉会变。在星球这样的大尺度下，靠感觉与经验是不行的，就像爱因斯坦曾经说过的一样：

直接观察所得出的结论不是常常可靠的，因为它们有时会引到错误的线索上去。

我们要真正理解天体的运动、理解宇宙、理解科学，首要做到的一点就是必须能够超越日常的经验。对于我们这些向来缺乏科学传统、更加重视经验的中国人更是如此，我们那句古老的格言：“眼见为实”，当我们面对科学时，在很大程度上必须被抛弃。

地球自转的基本特征是环绕自己一根假想的轴——地轴——在旋转，这根轴对于我们理解自转是很重要的，我们理解地球自转的许多性质都得依靠它。例如我们前面说过的黄赤交角也可以看作是地轴——也就是上图中标着天极的那根轴——与黄道平面的交角，也就是地球斜着转时的倾斜程度，它的度数为66°34′。

除了单纯的自转外，地轴还有一个重要的运动，就是由于太阳与月亮的引力作用而产生的岁差运动，它导致了恒星年与回归年之前的岁差。

—“一天”的来由—

我们称地球自转一圈为一“天”，又把一天分成24个“小时”，这大家都知道，但这并不是那么精确的。为了测定地球自转一周需要多长时间需要一个参照点，在这里也可以有不同的参照点，且由于参照点的不同，产生了三种“一天”，分别叫恒星日、太阳日、太阴日。

恒星日就是地球相对于某一颗恒星完成一次自转所需要的时间，太阳日则是太阳经过同一条子午线两次所需要的时间，太阴日就是月亮两次经过同一条子午线需要的时间。太阴乃是中国古人对月亮的雅称。

这三个不同的“日”之间是有区别的，其中只有恒星日是地球自转的真正周期，因为只有恒星在天空是相对不动的，它在天上静静地等待着地球的两次经过，因此在恒星日地球真正地旋转了360°。太阳与月亮就不同了，它们自己也在向东作运动，因此，当太阳经过某一条子午线后，它并没有在那里傻傻地等地球自转一圈，等那根子午线再经过它一次，而是继续向东，这也就是说，当那根子午线回到原来太阳所在的地方时，太阳已经往东跑了一段距离，子午线必须再往前走一段才能追上太阳。这样一来它实际上跑了不止360°，而是多跑了近1度。太阴日也是一个道理。

虽然如此，人们历来还是采用了太阳日，这是因为太阳实在比某颗恒星要好认得多，测定它两次经过同一个地方或者同一条子午线所需要的时间也很方便，因此人类自古以来就以太阳日为标准的一天，而且将其等分成24份，即每天的24小时。这样一来，一个恒星日就没有24小时了，它只合约23小时56分4秒，按比例来说比一个太阳日要短。

还有，地球自转的速度并不是一成不变的，它有多种变化，例如长期变化、季节变化与不规则变化。

地球自转速度长期变化的主要原因在于太阳与月球对地球潮汐产生的作用。潮涨潮落，它们对地球不可避免地会产生影响，主要是它所产生的摩擦作用产生阻力，对地球的自转起到了“刹车”的作用，使其速度渐渐地变慢。这也就是说，它绕地轴转同样大的一圈所花的时间会慢慢增加。这就意味着一天会慢慢延长。同时，由于地球公转的时间仍然是一样的，因此这就意味着一年中所包含的天数会慢慢减少。据科学家们研究发现，在距今约3亿7千万年前，一年中约有400天。也就是说，当地球公转一圈，地球能够自转400圈。

地球自转会产生许多结果，最明显者当然是昼夜的交替了。

由于地球是一个不透明的球体，因此太阳光在同一个时间只能照亮它的一半，那被照亮的一半就是昼半球，而没有太阳光照射的一半就是夜半球了。它们之间的分割线叫作晨昏线。

早晨，当太阳升起在某地东方的地平线时，那就表示某地所在的地球的这一部分已经是昼半球了，此后，地球继续自转，大约过了12个小时，它便又沉没在西方的地平线下，这时候，该地所在的半球便变成了夜半球。如此循环往复、轮流交替、永不停息。

地球自转产生了昼夜的交替，而地球公转产生了四季的循环。

—春夏秋冬的产生—

地球四季形成的最根本原因我们前面刚刚讲过了，就是因为地球公转时是斜着的，这样一来，就在天球赤道面与黄道面之间有一个23°26′的夹角。正是这个夹角形成了地球的四季。现在我们来更加详细地分析之。

地球在绕日公转，如果从太阳上看地球，当然是地球在绕着它转，但如果从地球上看太阳，则是太阳在黄道上运动。如下图：

这个图中，中间的地球上与地轴垂直的有三条线，中间的一条是赤道、上下两边的分别是南、北回归线，外边的标着二分二至点的小圈就是太阳了。从图中可以看出来，在四个节气的位置上，太阳光的直射点是不同的：在春分点时直线赤道，在夏至点时直射北回归线，在秋分点时又直射赤道，在冬至点时直射南回归线。在冬、夏至点旁边标注的23°26′就是黄赤交角，也是南、北回归线的纬度。

更精确地说，以一年为期，太阳是这样运动的：

如此，太阳在从春分到夏至，从夏至到秋分，从秋分到冬至，再从冬至到春分的过程中，完成了为期一周年的运行。年复一年地，太阳的直射点就这样往返于南回归线与北回归线之间。这种运动就是太阳的回归运动，太阳完成这样一次回归运动就是一个回归年。

这里要说明的是，上面的四个节气都是对我们所在的北半球而言的，南半球则相反，我们的春分是它们的秋分，我们的冬至是他们的夏至。

地球上有机会受到太阳光直射的地区是南、北纬23°26′线之间的地区，太阳直射点一到达这两条线，即不再继续往南或往北移，而是回转方向，这也是南、北回归线名字的由来。南、北回归线一年有太阳直射一次的机会，南、北回归线之间则每年有两次被太阳直射的机会。南回归线以南、北回归线以北的地区，则永远没有太阳直射的机会。

不过，在南、北纬23°26′线之外的地区也不是全都一个样，那里还有一个特别的地区，就是北纬66°34′以北和南纬66°34′以南的地区，这两个地区就是北极圈和南极圈了。

这两个地区最大的特点是，太阳光在这两个地区之内可以终日不落，形成一天24小时的“极昼”，同时也有一天24小时不见太阳的极夜。当春分时，在地球之最北的北极点开始出现极昼，随着太阳直射点的北移，极昼也开始南移，到夏至时，整个北极圈、即北纬66°34′线内都是太阳24小时不落的极昼，而整个南极圈、即南纬66°34′内都是终日没有太阳的极夜。此后，随着太阳直射点的转而南下，北极圈内的极昼开始北退，到秋分时，太阳再一次直射赤道，北极圈的极昼消失了，北极点的极夜随之开始，先是北极点，然后渐渐南移，当太阳直射点到达冬至点时，整个北极圈内终日24小时不见太阳，这就是极夜了。此后，太阳直射开始转而北上，极夜开始从北极圈内往北慢慢消退，直到春分。这时候，太阳再次直射赤道，北极点也从长达半年的茫茫极夜中苏醒，准备再次享受长达半年的极昼了。这时，太阳也正好完成了一年的旅程。

地球的这种运动也决定了地球的四季。

所谓四季，无非就是将一年时间划分成四段，为什么要划分成四段呢？就是因为在这四段中昼夜长短与气温高低显著不同。

就说我们中国大部分地区所在的地方吧，这里被称为中纬度地区，因为它们没有到回归线，隔北极圈也很远，纬度不高不低。

这一带也是四季交替最为明显的地区。

春天一到，开始还有些冷，但不久就会感觉白昼越来越长，黑夜越来越短，气温也越来越高。一派春暖花开、阳光明媚的大好景象。

夏天一到，天气就从温暖变成了炎热，太阳终日火辣辣地炙烤着大地，出门就挥汗如雨。更要命的是，这时白天也格外地长，等到清凉的夜晚来临时，已经是晚上六七点以后了。

秋天一到，天气开始转凉，一天的白昼反而没有夜晚长了，万木萧萧，黄叶飘零，一派肃杀的气氛。

冬天一到，天气便由凉变成冷了，冷得人出门就得缩起脖子，连阳光都好像是冷的。这时候有阳光的白昼短得可怜，晚上四五点钟天就黑了。

这就是四季，这样的季节绝大部分中国人都体味过吧！它们就是由上面的原因形成的，这只要看它的特点就明了了。

上面是感觉上的四季，天文学上的四季则更为精确，它规定了四季明确的起止区间：

春季：从春分日到夏至日，长92或93天。

夏季：从夏至日到秋分日，长93或94天。

秋季：从秋分日到冬至日，长89或90天。

冬季：从冬至日到春分日，长88或89天。

联系到前面刚提过的北半球二分二至的起止日期，即春分是每年的3月21日，夏至是6月22日，秋分是9月23日，冬至是12月23日。我们就知道一年四季的起止日期了。当然，这些日子都是约数，并不是绝对精确的，但差异很小。

我们日常生活中哪会记得这么详细的春夏秋冬起止日期，因此在日常生活中流行的是一种四季的通俗版：每年的3至5月为春季，6至8月为夏季，9至11月为秋季，12月至翌年2月为冬季。

这四季的划分并不具有普遍的意义，它只对地球上既不太冷、也不太热的中纬度地区有意义。所谓中纬度，我们大体可以看成是北半球的北回归线以北至北极圈以南的地区加上南半球的南回归线以南至南极圈以北的地区。

至于两个极地地区和南、北回归线之间的地区，则四季不分明。南北两极圈之内的地区一年到头气候苦寒，只有短暂且只是不那么冷的夏天，春秋两季很不明显。南、北回归线之间的地区则一年四季艳阳高照，冬天可以穿裙子T恤，昼夜长短也差不太多，连花儿都可以四季常开，果实也可以四季常熟，堪称四季常夏。