2015-10-09 09:24:50
6.火地自旋偏向力 太阳辐射能源泉
“二十四节气的创立与定型，所经历的过程，我们需要提到蛇图腾、八卦图、四象、二十八宿、龙图腾，以及《天数》《夏小正》《易》《洪范》《诗经》《逸周书》《月令》《时则训》《淮南子》《吕氏春秋》《庄子》《汉书》等等古代典籍，不可忘记西汉时期的公孙卿、壶遂、司马迁、邓平、司马可、宜君、唐都和落下闳等人，反倒是帝王之术的孔孟著作对其没有什么贡献。后来又进行了进一步完善，北齐张子信和元代许衡、郭守敬功不可没。西方推崇的《格里高利历》颁行于公元1582年，郭守敬的《授时历》比其早了300年，且对回归年测算的精度，比今天测定的结果仅差26秒。黄道面被人为分成黄经360度，历法上规定地球每移动黄经15度为一个节气，公转一周恰好是二十四个节气。”卫黎明又开始画地球在黄道面上的位置，画着说着，“6月21日至22日，地球移动到黄经90度，也就是地球北半球的夏至，太阳光直射北回归线，北半球接受的光热最多，北半球正值历法上的夏季。以后太阳逐渐南移，北半球接受的太阳光热随之减少，9月22日至24日，地球移动到黄经180度，也就是地球北半球的秋分，太阳光直射赤道，南北半球所受的光热相等，北半球处于历法上的秋季。秋分过后，太阳光移向南半球，12月21日至23日，地球移动到黄经270度，也就是地球北半球的冬至，太阳光直射南回归线，北半球受太阳光热最少，正值历法上的冬季。以后太阳光逐渐北移，北半球接受的太阳光热随之增多，3月20日至21日，地球移动到黄经0度，也就是地球北半球的春分，太阳光再次直射赤道，南北半球所受的光热相等，北半球处于历法上的春季。由于地球不停地公转，春、夏、秋、冬四季便交替不断出现。不过，南北半球的冬夏正好相反，春秋正好互换。”
“看来春夏秋冬四季是因为自转轴的倾斜和公转造成的，由于两个半球从太阳接收到的能量不同而产生四季更替。”李紫燕完全听明白了。
“说得没错。登上火星以后，我准备就划分季节、创立节气做些努力，除了二十四节气，还要有伏、九、腊、梅、社等。虽然火星上没有地球盛夏这样的高温，但还是要有伏，伏这个字本身就有天文气象的意义，是指某宿、某星到了某个季节，就在初昏时落入西边地平线下，似乎是埋伏起来，让人看不见了。伏的气候意义是阳气始伏，在火星上也应当规定，从夏至后算起，第三个庚日为初伏，第四个庚日为中伏，立秋后第一个庚日为末伏。也需要设置闰年，这样一来，今年某一天庚日，明年就不一定是庚日。由于庚日的变化不定，所以每年入伏的日期并不相同。夏至应该还不是火星北半球平原最热的时候，因为这时球面吸收的热，晚上又散发了一大部分，每天吸热多，散热少，积累下来一天比一天热，所以到“第三个庚日”，也就是大约再过二十多天就到了三伏最热的天气。”卫黎明说。
“我看不一定，火星大气稀薄，所以伏的设立要符合火星北半球的实际气候状况，还要考虑火星北半球的夏季比南半球长，而且比地球的夏季长得多。”张正义插话。
“说得对，这需要实际考察，需要建立气象观测场，进行统计分析。火星上也需要设置有九，火星的冬季比地球冷得多，一定有数九寒天，还要创作出火星上的九九歌。因为没有月光，不好确定腊月和腊八，地球上的腊八是为了祭祀，火星上已经是文明时代，不需要祭祀什么神灵了。梅指梅雨季节、黄梅天气，芒种后两日作为入悔，夏至后壬日作为出梅，估计不适用于火星，暂时可不考虑。社有春社、秋社之分，古代二十五家为社，社有社庙作为祭祀和集会场所，社日要进行迎神赛会，到了火星，也不需要了。我们还可以根据火星的实际情况和实际需要，设置一些其他杂节，譬如正月正、二月二、三月三、五月五、七月七、九月九等等，届时可以召开杂节设置科学研讨会，共同予以确定。关键是火星历法，这个比较困难。”卫黎明似乎想得很多。
“假设自转轴与黄道面是垂直的，地球和火星上会不会有春夏秋冬的变换？”林如平问。
“假设自转轴与黄道面是垂直的，地球和火星上是不可能有春夏秋冬变换的。假设只有自转轴倾斜，没有绕太阳的公转，也不会有四季的产生，二者缺一不可。太阳系里木星自转轴与公转平面的夹角是86.87度，自转轴与公转平面几乎垂直，造成了木星上没有分明的四季变化。有人认为是由于木星没有地球这样的大气层，所以木星上才没有四季，可是火星也没有地球这样的大气，但却有四季变化。假如地轴也是木星自转轴这样的倾斜度，地球也会没有春夏秋冬四季的变化。假设自转轴倾斜过大，或者自转轴与黄道面没有夹角，地球上更不可能有春夏秋冬之分。太阳系中的天王星自转轴几乎倒在它的轨道平面上，因此当天王星的半个球面是夏季时，它的一个极点几乎直对着太阳，而另外半个球面完全处于黑暗的冬季之中。”卫黎明回答。
“地球的公转轨道是个椭圆，地球与太阳之间的距离也有远近变化，这种变化不是造成春夏秋冬的原因吗？太阳系的八大行星上都是日出东方吗？”林如平又问。
“地球因椭圆轨道接近圆形，距离太阳远近的变化不大，使整个地球从太阳接受的总热量会产生一些微小的差异，但这一微小的差异不足以造成地球上一年的季节变化。火星的椭圆轨道比地球轨道扁得多，地球轨道的离心率只有0.017，火星轨道的离心率却是0.093，因而造成了四季长度的不一致。火星的远日点接近于北半球的夏至，近日点接近北半球的冬至，造成了北半球的夏半年比冬半年长40余天，南半球正好相反。还有就是，火星的南极比北极地势高，南半球多是高地，北半球多是平原，在地表附近，温度随高度升高而降低。因为远日点、近日点和地势的高低，造成了火星北半球的夏季比南半球的夏季温度偏高，且持续时间长，因而火星北半球的夏天，北极地区的固态二氧化碳完全升华，留下剩余的冰水层；火星南半球的夏天温度较低，南极地区的固态二氧化碳从来没有完全消失过，所以我们无法知道火星南极的冰层下是否也存在着冰水层。八大行星上可不都是日出东方，金星上的太阳就是升起在西方。”卫黎明进行了解答。
“春夏秋冬四季变化主要是指地球或者火星相对于太阳位置的变化，也就是天文气候。真正意义上的气候，却是以候平均气温来确定的，也就是5天的滑动日平均气温，其温度是距地面1.5米百叶箱中测得的气温。候平均气温高于摄氏10度入春，高于摄氏22度入夏，低于摄氏22度入秋，低于摄氏10度入冬。因为气候多变，各地又处在不同的地理位置，海拔高度也不一样，地表植被、水体等地理环境也不一样，气温千差万别，因此各地每年实际四季时段也就千差万别，与历法上的节气划分差异很大。且二十四节气产生于黄河流域，距离黄河流域的纬度越远，节气与当地的气候、物候差异也就越大，譬如我家乡的二十四节气与黄河流域的内涵就有很大差异。”梁山伯也开始讲解。
“对于地球来说，赤道地区只有夏季，两极地区和高原高海拔的雪山上只有冬季，低纬度地区没有冬季，高纬度地区没有夏季，只有中纬度的平原和非高海拔地区才有分明的冬夏春秋四季。对于火星来说，只有南北回归线之间的地区有短暂的夏季，赤道地区一年会有两个短暂的夏季，北半球中纬度平原地区会有短暂的春秋季，其他地区多是处在冬季。但这些并不是永恒不变的，地球气候和火星气候都在变化，今天的地球气候发生在火星遥远的过去，今天的火星气候也将发生在地球也许不久的未来，如果我们不注意保护地球家园，这个未来将会距离我们很近。”卫黎明接着说。
“变是永恒的，不变是相对的。宇宙在不停地运动变化，我们的地球怎么能够静止？”席自然插话说。
“自然同学说话带有哲理！任何事情都在变化，就拿地球和火星公转轨道的离心率来说吧，地球的离心率在0.005至0.058之间变化，有10万年和41.3万年两个变化周期，因而各个季节的长短也会变化的。火星的离心率在0.002至0.12之间变化，有9.6万年和210万年两个变化周期。因而除了地球和火星上各个季节的长短有变化，火地最近、最远距离也会有变化，我们将来前往火星时，一定要选在火地最近时才提前行动。再就是火地自转轴倾斜度的变化，火星自转轴倾斜在13度至40度之间变化，变化周期是1000多万年。地球自转轴倾斜在22.1度至24.5度之间变化，变化周期是4.1万年。”卫黎明继续讲解。
“大气环流每年都不会相同，这是历法上的节气与气候存在差异的主要原因。由于太阳耀斑和黑子的不时活动，太阳辐射并不恒定，时刻都有变化，太阳辐射是地球和火星获得能量的源泉，太阳辐射量的变化，会引起地球和火星气候的变化，这也是历法上的节气与气候存在差异的原因之一。”梁山伯接着说。
“地球和火星本身也在释放着热量，所释放的热量并不恒定，时刻变化着，这也是历法上的节气与气候存在差异的原因之一。地球和火星每年所抵达的黄经位置，相对于太阳每年是同一个位置，但相对于银河每年却不是同一个位置，相对于河外星系，相对于宇宙空间，那个位置不知道在哪个地方。太阳系内情况大致变化不大，但太阳在银河系穿梭，银河系在宇宙间旋转，如果太阳进入了一个冷域，地球和火星也就成了冰河期；如果太阳进入一个热域，地球和火星也会出汗的。”卫黎明继续讲解。
“黎明说地轴倾斜角也会变化，我不相信，是在说童话故事吧？如果那样天下不就大乱了？”李紫燕高声提出质疑。
“千真万确，不是童话。可能你们都没有看过《周髀算经》，书中给出了古代用8尺标杆测得的日影长度，夏至日正午测得日影为1尺5寸，冬至日正午测得的影长为1丈3尺5寸。由此可计算出观测地点所处的地理纬度，恰好是古颍川的禹州。进而还可以计算出测日影的年代，大约是公元前2522年，正好是大禹治水的时候。还可以算出当时北回归线位于北纬23度49分40秒，而今天的北回归线位于北纬23度25分14秒，这也是自转轴与黄道面的交角，可见5000年来有了明显变化，北回归线向南移动了24分26秒，相当于向南移动了50多千米，这也是黄河流域为什么3000多年前比现在气候温暖的原因之一。”卫黎明用实例进行解答。
“老虎明，你怎么知道3000多年前比现在气候温暖？”林如平不解地问。
“蝶儿平，你将要嫁到中原，我得把‘豫’字说上几句，‘豫’源于大禹治水时期，大禹将华夏化为九州岛岛，中原处于豫州岛岛，那个时候还没有‘国’的概念，到处汪洋一片，所以就有了‘岛岛’。对‘豫’的一种解释是，华夏有一部最早的历法《天数》，后来又有了《夏小正》，内里有古人观天象、气象、物候的真实记录，说是‘豫’的内涵应为天象、气象等自然万象的意思。一种解释是‘人牵着大象’，殷墟出土的甲骨文中有猎人捕大象的文字，说明商代中原大地上生活有大象。处在黄河流域的半坡遗址、渑池仰韶村、偃师二里头遗址、殷墟，考古发现了如今生活在亚热带的动物亚化石，其中有大象、水獐、竹鼠、獏等，时间在3000年前，涵盖了五帝、夏、商和西周时期，说明3000年前黄河流域的气候比现在温暖，当时属于亚热带气候，呈现出一派亚热带风光。”卫黎明回答。
“原来今古气候竟然不一样，听起来有些新鲜。”席自然说。
“三皇五帝以来，地球气候有过4暖5冷。从仰韶文化到殷墟时期，黄河流域气候处于第1次温暖期。五帝后期全球气候转暖，积雪消融，加之黄河流域连天暴雨，使得洪水横流。由于治水，产生了伟大的人物大禹，大禹结束了五帝时代，开启了夏，建立起中国历史上第一个家天下世袭王朝。商代黄河中下游地区气候条件优越，促进了生产力的发展，商代出现了甲骨文字，文明取得了大的进步，走向了奴隶制占主要地位的时代。商末黄河流域气候由暖转冷，西部周人开始向中原进犯，西周末，维持了2000年的温暖期走到了尽头，自周穆王到周幽王的200年间，黄河流域气候进入第1次寒冷的小冰河期，西周也退出了历史舞台。第2次温暖期出现在春秋至秦汉，春秋时期气候温暖，战国时期气候趋冷，战国云烟四起，最后由秦嬴政实现了统一。秦到西汉，气候比战国时期温暖，出现了所谓的‘文景之治’。东汉到南北朝，黄河流域进入第2次寒冷期，中华南北分裂，北朝十六国，以及后来称为北朝的拓跋魏，他们占据黄河流域，极大地破坏了中华几千年来发育滋长的经济和文化，成为历史上可耻可痛的300年。第3次温暖期出现在唐代，唐初到盛唐气候温暖，出现了所谓的‘贞观之治’‘永徽之治’‘武周时期’‘开元盛世’，与汉朝并称为中国历史上两大强盛王朝，伟大的隋代给盛唐奠定了基础。第3次寒冷期出现在宋、金、元并存时期，再次进入小冰河期，北宋屡遭金人侵略，南宋被元所灭。第4次温暖期的到来，为元、明、清600多年长期统一的局面，提供了温暖适宜的气候条件。第5次寒冷的小冰河期到来，是因为太阳黑子锐减，地球环境遭到破坏，生态严重失衡，水体和大气污染加剧，地球大气中的臭氧空洞已经危及到人类的生存。据说将有一颗彗星擦着地冕而过，彗尾很有可能扫到地球大气的逸散层，届时不知道会发生什么现象。”卫黎明显得十分忧虑。
“是否会把地球大气的一部分带给火星？那样火星大气一定会有大的变化。火星上那些弯弯曲曲的线条是什么？在南半球向西弯，北半球向东弯，录像应当拍些近景。”席自然提出新的问题。
“如果真的如你所说，火星很快会适宜人类居住。那些线条应当是火星远古时期的古河道，远古时期火星上有江河湖海，也应当有火星人的存在。线条的弯曲是因为火星自转，水流常年冲刷的结果。”卫黎明回答。
“何以见得？与火星自转有什么关系？”席自然追问。
“由于火星的自转，当物体相对于火星表面运动时，对于站在火星表面上的观察者来说，感到物体运动的方向发生了改变。在北半球，假若一物体自南向北运动，物体起始时火星表面向东偏移的线速度大，末了火星表面向东偏移的线速度小，由于惯性物体仍保持原来向东比较快的线速度，于是站在火星表面上看物体前进的方向也就向东边偏离原来经线的方向。”卫黎明说着开始打开投影画示意图，然后又说：“假若一物体自北向南运动，物体起始时火星表面向东偏移的线速度慢，末了火星表面向东偏移的线速度快，由于惯性物体仍保持原来向东比较慢的线速度，于是站在火星表面看物体前进的方向也就向西边偏离原来经线的方向。物体移动的速度越快，其偏离得也就越多，且都是向移动方向的右侧偏移。在南半球，其结果正好相反，物体会向移动方向的左侧偏移。”
“你说的这些，我怎么平时没有注意到？”席自然又问。
“哈哈哈，你要是能注意到，你也成自然科学家了。”同学们都笑了，卫黎明继续详细解释说：“由于火星的旋转，使北极表面产生了一个绕自转轴作逆时针方向的转动，南极表面产生一个绕自转轴作顺时针方向的转动，它的角速度就是火星自转角速度。如果有物体相对于极地平面运动时，站在火星表面的观察者会感到物体受到一个平行于火星表面的力作用，这个力称为水平自转偏向力。水平自转偏向力在北极是逆时针，在南极是顺时针。由于火星的旋转，使火星赤道表面产生一个绕与自转轴垂直平面方向的转动，而只有水平方向的角速度。如果有物体相对于火星赤道平面运动时，站在火星表面的观察者会感到向东运动的物体受到向上的力作用，而向西运动的物体受到向下的力作用，这个力称为垂直自转偏向力。火星上起飞宇宙飞船时，总是向东发射，就是因为这一原因，要让飞船受到一个向上抬升的力。”
“原来有这么多学问，我还真的不知道。”席自然恍然大悟地话。
“地球与火星一样，赤道与极地之间的各纬度上，相对于地平面作水平运动产生的地转偏向力，既有垂直地转偏向力，也有水平地转偏向力。由于地球自转而发生偏向的一种力，此力就被称为地转偏向力，是由法国数学家古斯塔·加斯佩德·科里奥利于公元1835年发现的，也称科里奥利力。地转偏向力是由于地球自转而产生的力，它不是真正的力，而是惯性力。地转偏向力只在物体相对于地面有运动时才产生，只能改变物体运动的方向，不能改变物体运动的速度。其值正比于运动速度，随纬度升高而增大，赤道附近运动物体不受偏向力的影响。地转偏向力可分解为水平地转偏向力和垂直地转偏向力两个分量。”卫黎明接着说。
“大自然真的奥妙无穷，听了很长知识。”李紫燕说。
“受地转偏向力的影响，北半球的河流总是冲刷右岸，由于古代生产力低下，只能任凭河流自由弯曲，弯曲到一定程度，量变达到质变，河流开始改道，千百年来黄河一次一次地改道，总是向东向南滚动就是这个原因。地转偏向力对地球上所有运动着的物体都有作用，北半球高速列车轨道如果总是行驶一个方向的列车，右侧的轨道会先坏。大气的运动由于受地转偏向力的影响，从而形成了大气中的各种环流。火星上那些印痕，只能是河道水流冲刷的结果，那些印痕在南半球向西弯曲，在北半球向东弯曲，这是因为南半球地势高，北半球地势低，河水总是向北流动，于是在南半球向左冲刷河岸，在北半球向右冲刷河岸。台风形成需要足够大的地转偏向力，而赤道的地转偏向力为零，所以台风总是形成于赤道南北5度以上海域。”卫黎明侃侃而谈。
“关于太阳辐射和太阳黑子的问题，到底是咋回事？你们一直谈别的话题，能否请黎明同学给讲一下。”坐在角上的一位同学说。
“不提我倒给忘了。万物生长靠太阳，地球大气、陆地和海洋增温也要靠太阳，火星上也是一样。太阳向着地球以辐射的形式释放着能量，称为太阳辐射。太阳辐射在地球大气上界的分布，称为天文辐射。天文辐射的能量变化除了太阳自身原因，还取决于地球相对于太阳的天文位置，主要决定于日地距离，以及太阳高度角和昼长。地球绕太阳公转的轨道是个椭圆形，地面与太阳的相对位置、距离和角度时刻在变化中。太阳光线与地面的夹角称为太阳高度角，存在着日变化和年变化。太阳高度角越大，天文辐射越强烈。天文辐射决定的地球气候称为天文气候，天文气候只是反映了全球气候的时空分布和变化的基本轮廓。天文辐射以赤道获得的最多，极地最少，这种热量不均匀分布，导致了地球各纬度的气温产生差异，使得地球上出现了热带、温带和寒带气候。天文辐射夏大冬小，使得地球各地夏季温度高而冬季温度低。” 卫黎明说起来太阳辐射。
“地球大气对太阳辐射的吸收、散射和反射，起到了消减太阳辐射的作用，大气对太阳辐射的吸收是不均匀的，太阳辐射通过整层大气时，紫外线几乎全部被吸收，对红外区吸收很强，对可见光区吸收很弱。这是由于地球大气中含有氧、臭氧、水汽和液态水，其次有二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和尘埃等，这些物质具有吸收太阳辐射的作用，云层能强烈吸收和散射太阳辐射，同时也强烈吸收地面反射的太阳辐射。”梁山伯接着说。
“对于火星而言，紫外线几乎全部抵达球面，由于大气成分基本上是二氧化碳，具有吸收太阳辐射的作用，但又因为火星大气稀薄，实际吸收太阳辐射的能力不强，虽然空中会有淡淡的云，但其吸收和散射太阳辐射的能力不强，吸收球面反射太阳辐射的作用微乎其微。”卫黎明又进行了补充。
“原来太阳辐射对于地球与火星是有区别的。”席自然插话。
“地球大气层对地面放出的辐射并非无条件传递，而是将其中的长波辐射留下来，把其他辐射送入了太空。太阳辐射经过大气层的过滤，一部分到达地面，一部分被大气中的分子、微尘、水汽等吸收、散射和反射，到达地面这部分称为直接太阳辐射，被散射的一部分返回宇宙空间，一部分又到达地面，又到达地面的这部分称为散射太阳辐射。直接太阳辐射和散射太阳辐射之和称为总辐射。总辐射的强度和光谱能量分布，与天文辐射比较，都发生了变化，总辐射比天文辐射的能量小得多，总辐射光谱分布在紫外光谱区的太阳辐射几乎绝迹，在可见光谱区减少百分之四十，红外光谱区减少了百分之六十。”张正义接续。
“火星上的散射太阳辐射非常有限，总辐射与天文辐射没有太大的差异。在地球上，总辐射的分布基本上成带状，只有在低纬度的赤道地区受到破坏。由于赤道地区多云覆盖，总辐射并非最高。南北半球的副热带高压带，特别是在大陆荒漠地区，总是碧空无云，总辐射较大，最大值出现在非洲东北部。在火星上，总辐射呈明显的带状分布，赤道地区最高，依次向两极地区递减，但北半球的总辐射比南半球高，因为北半球夏季比南半球多40天。地球所能接受到的太阳辐射，只是太阳向宇宙空间释放总辐射能量的二十亿分之一，火星接受的太阳辐射更小，但却成为两星球大气中一切物理过程和天气现象的能量源泉，是两星球气候形成的主要能量来源。球面接受太阳辐射的不均匀，以及时空变化，成为各地域性气候差异和明显季节交替的基本原因。”卫黎明继续。
“我现在明白了，两个星球上春夏秋冬的形成，与他们的自转轴倾斜、公转、接受的太阳辐射都有关系。”李紫燕接话。
“地球表面接受太阳辐射的强度，随纬度和季节而变化，使得地球上的热量分布不均匀，成为大气运动和洋流等的能量所在。同一季节里，太阳辐射强度随纬度增高而减小。赤道附近太阳高度角高，太阳光几乎直射在地表上，地面接受的热量多，气候就炎热；两极附近太阳高度角低，太阳光总是倾斜着照射，地面接受的热量少，气候就特别寒冷。同一纬度上，太阳高度角冬季低，夏季高，春秋季介于冬夏之间，北半球以冬至日和夏至日为全年的太阳高度角最低点和最高点。北半球随着太阳直射的南北移动，冬季太阳高度角偏低，地表接受的太阳辐射量少；春季太阳高度角增大，地表接受的太阳辐射量增多，温度升高；夏季太阳高度角达一年中最大，地表接受的太阳辐射量最多，温度最高；秋季太阳高度角减小，地表接受的太阳辐射减少，温度降低。地球上接受的太阳辐射，随纬度的变化形成了不同的气候带，随季节的变化造成了一年中的冷暖循环交替，形成了地球中纬度的四季。地球气候比火星气候复杂，有地理条件、地理位置、地形等的影响，还有大气环流、海陆分布、季风、信风、副热带高压、火山爆发等，一时间也说不完。”卫黎明说。
“你还没说太阳黑子，太阳黑子究竟是怎么回事？”又有同学问。
“黎明，已经是后半夜了。”林如平提醒卫黎明。
“呀！太晚了，周末咱们继续。”李紫燕站起来说。
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