12月22日,迎來了2023年的冬至。這一天陰寒至極,有可能伴隨著寒潮來襲,并且黑夜最為漫長,白晝最為短暫。雖然冬至這一天是“至陰”時刻,天寒地凍,但事實上,地球目前即將運行到近日點附近,地球比夏至的時候更靠近太陽490萬公里。既然地球現(xiàn)在距離太陽幾乎最近,但為什么冬天還會這么冷呢?
首先,12月是寒冬其實是對于北半球而言。而在南半球,此時正處于炎熱的夏天,與北半球的季節(jié)剛好相反。同樣地,在北半球夏至?xí)r,南半球則是處于寒冷的冬季。由此可見,地球上的季節(jié)更替并不是由日地距離決定的。無論地球靠近還是遠離太陽,似乎沒有對地球季節(jié)造成影響。
地球以大約每秒29.8公里的速度繞著太陽公轉(zhuǎn),但公轉(zhuǎn)軌道并非一個完美的圓形,而是一個橢圓形。地球每年在1月初轉(zhuǎn)動到近日點,此時日地距離最短,大約為1.47億公里。而在7月初,地球轉(zhuǎn)動到遠日點,此時日地距離最長,可達1.52億公里。
因此,在每年夏至?xí)r,地球接近于遠日點,在冬至接近于近日點。在2023年夏至,日地距離約為1.52億公里。而在冬至,日地距離估計為1.471億公里。由此可知,冬至與夏至的日地距離相差可達490萬公里,這相當(dāng)于地球與月球之間距離的12.9倍,其中可以并排放下384個地球,所以這個距離看起來還是很遠的。
然而,這個距離差距相對于日地距離只有3.3%,這個變化其實是很小的。事實上,地球軌道偏心率僅為0.0167,還是比較接近于正圓的。地球在遠日點和近日點時,接收到的太陽熱量并沒有明顯差距,所以日地距離遠近不是地球季節(jié)更替的原因。
引起地球季節(jié)變化的真正原因其實在于地球自轉(zhuǎn)軸是傾斜的。如果地軸不傾斜,則在地球公轉(zhuǎn)過程中,太陽直射赤道,南北半球接收到的太陽光輻射始終是差不多的,地球就不會有季節(jié)變化。
但由于地軸傾斜了大約23.5度,即地球赤道平面與公轉(zhuǎn)軌道平面存在23.5度的夾角(黃赤交角),在地球繞著太陽公轉(zhuǎn)時,太陽直射地球的區(qū)域會從南緯23.5度至北緯23.5度之間變化。
在被太陽直射的區(qū)域,可以接收到更為集中的太陽能量,所以那里就會處于炎熱的夏季。而距離太陽直射點越遠的區(qū)域,太陽的高度角越低,這使得太陽能量越分散,地表難以獲得足夠多的熱量,所以那里的氣溫就越低。
在太陽直射南緯23.5度的區(qū)域,也就是南回歸線之時,北半球的太陽高度角達到最低,氣溫也會變得很低,此時就是我們所說的冬至。在冬至?xí)r,北半球白晝最短,黑夜最長,導(dǎo)致地表熱量散失得更快,氣溫下降得更為明顯。
在冬至之后,太陽直射點開始向北移動,北半球的白晝也變得越來越長,但氣溫并不會隨之變得越來越高。在冬至之后,還有小寒、大寒兩個節(jié)氣,氣溫其實還會進一步降低,這與氣候系統(tǒng)的滯后效應(yīng)有關(guān)。
冬至過后,已經(jīng)徹底冷下來的大氣和海洋需要足夠長的時間才能恢復(fù)溫度。與此同時,地表仍然不斷散發(fā)熱量。因此,地球的氣候系統(tǒng)具有滯后效應(yīng),這會導(dǎo)致氣溫繼續(xù)下降,直到達到最低溫度。
總之,雖然冬至?xí)r地球接近于近日點,但由于地軸傾斜、太陽高度角、氣候系統(tǒng)的滯后效應(yīng)等因素交織在一起,共同決定了冬至?xí)r的氣溫仍然較低,而且之后還會進一步變低。
盡管目前日地距離遠近對地球氣溫影響不大,但在遙遠的未來,太陽溫度變得越來越高,最終會讓地球變得越來越熱。當(dāng)前,太陽已經(jīng)耗盡了核心區(qū)域大約一半的氫燃料。在未來數(shù)十億年里,太陽的核聚變反應(yīng)會越來越劇烈,太陽溫度將變得越來越高。
據(jù)估計,10億年后的太陽光度將是現(xiàn)在的1.1倍,這足以把地球變成大火爐,讓地表的液態(tài)水大量蒸發(fā)殆盡。未來,人類要想繼續(xù)在地球上生存下去,可以嘗試把地球推離太陽一段距離,讓地球在更大的軌道上繞著太陽轉(zhuǎn)動。
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