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就地球上的季节变换而言,起主要作用的是地球的自转轴,而不是与太阳的距离,因为地球轨道的离心率为0.017,非常接近一个完美的圆。
近日点出现在1月2日至5日,远日点出现在7月3日至6日,而在这两点上,日地距离变化非常小,不超过2%。
近日点和远日点接收到的阳光总量相差7%,与自转轴产生的影响相比,这一差值可以忽略。
我们可以想象一个很不一样的地球轨道:增大离心率,但保持一年持续时间不变。
如果离心率低于0.1,不会有什么大变化,但如果大于0.1,事情就有意思了。
举个例子,如果我们把离心率加到0.7,地球近日点与太阳的距离就会变成4500万千米(相当于水星的近日点),而远日点会退到距离太阳2.54亿千米的地方(相当于火星的远日点)。
此时,光照变化极大,在这种情况下,我们的地球在近日点接收到的能量将会是目前的10倍,而远日点接收的热量会减少,仅仅是现在的13。
如果绕这一轨道运行,自转轴倾角实际上就不会对全球气候造成任何影响,也就是说,气候只与日地距离有关。
要让情况更复杂一点,需要开普勒第二定律登场:如果用一条假想线把一颗行星和太阳连接起来,那么这条线在相同时间里扫过的面积便是相等的。
这意味着行星的公转速度在近日点最大,在远日点最小。
地球的正常公转速度是30千米秒,时速超过100000千米小时,在一年中的变化很小。
如果离心率变成0.7,地球在近日点的公转速度就会超过70千米秒,而在远日点则减少到只有13千米秒。
因此,夏天酷热而短暂,冬天严寒而漫长。
太阳是地球上气候变化的主要动力,要弄明白太阳能量的大幅波动如何影响气候,虽然颇为有趣,但需要设计非常复杂的模型。
如果地球是由岩石和冰块(忽略大气层)组成的一个很普通的球,那计算它在公转过程中的表面温度就非常容易。
岩石的比热容极低,所以会迅速对光照变化做出反应。
最终地球就像是一个巨大的彗星,在近日点的平均温度最高达到180℃,丢失表面升华形成的大量气体,但这些气体会在地球离太阳足够远时再次冷却,并在远日点达到最低的-80℃。
只有在近日点附近那2个月里气温适宜,而在剩下的10个月里,地球将会是一片冰天雪地。
所幸地球并不是一个普普通通的岩质球,它还有海洋和大气。
水的比热容很大,有利于调节气候,而大气构成了一道屏障,也就是众所周知的温室效应。
因此,外界刺激对地球产生影响需要很长时间,这就能弥补太阳光迅速变化导致的影响,地球可以在一个太阳年的时间里将接收的光能散布到地表各处。
但是,如果地球的离心率变为0.7,不管有没有大气,情况都会很糟糕,并且需要具体情况具体分析。
“离心”
地球之旅从原位置出发,即距离太阳1500万千米左右。
这一距离在天文学中被视作一个标准单位,名为天文单位(UnitAstronomica)。
根据开普勒第二定律,地球到达近日点的过程非常短,只用50天就能到达最小距离,即0.3个天文单位。
在这个点上看到天上的太阳会是平常的3倍大、11倍亮,全球气温也会迅速上升。
但由于海水的比热容影响,全球气温要在经过近日点3周之后才会达到峰值。
大陆表面再无法居住:非洲、南美洲、澳大利亚、印度的大部分地区气温将不低于100℃,湖水与河水都将沸腾起来。
只有南极气温还保持在0℃左右。
大气层中的气体达到饱和,地球会迅速远离太阳这个核能火炉。
30天后地球再次与太阳相距1个天文单位,但海水仍在沸腾,全球平均气温在40℃左右。
秋天开始了,剧烈的暴风雨随之而来:大气层中的大量水蒸气和海洋里储存的大量能量将导致气旋形成,其威力和尺度大到难以想象。
地球继续远离太阳,并在接下来的260天里都与太阳相距一个天文单位以上。
气温持续下降,漫长秋季里的雨更为温和。
海洋的散热速度十分缓慢。
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