第三章 地球怎样围绕着太阳转动

以上我们讨论了地球的自转和由自转所产生的影响,并且也提到了由于地球绕日公转而来的一年的日数。我们现在继续分析这两种运动,因为这是自然科学的基本常识。

我们居住的这颗行星,在空中沿着围绕太阳的一条轨道而飞驰。尽管有昼夜循环、冬去春来、花开果落、世代更替、民族消长、世纪飞跃等这些变化,可是地球仍然是在无休止地运转着。地球围绕着发射热和光、位于它的轨道的焦点上的太阳而运行,由此引起了气候的差异和季节的变迁。在两极地区,倾斜的太阳只射来微弱的热和暗淡的光。在这些凄凉的地方,旅行家看见在漫长的黄昏中间或露出一些明亮的极光。至于在赤道地带,灼人的阳光当头直射,在这样炎热的地面上长满了茂密的植物。由此可见,太阳造成了气候和季节。

地球绕日的周年轨道,我们已经说过,不是正圆而是椭圆。大家知道怎样画一个椭圆。最简单的方法便是园丁所用的方法。先在地上钉上两根木桩(图44) ,再系上一条比两根木桩之间的距离长一些的绳子,用一根针把绳子拉紧,随着这针尖在地上运动,所绘出的曲线便是椭圆。这两根木桩越是互相接近,这个椭圆越是接近正圆;反之,两根木桩越是彼此离开,椭圆越显得扁长。一切天体的运动所沿的轨道都不是正圆,而是椭圆。木桩所在之点叫作椭圆的焦点(图中的F、F′两点) 。椭圆的中心在O,直径AA′叫作长轴,直径EE′叫作短轴。我们把地球绕太阳运行的椭圆轨道叫作地球轨道,太阳就在这个椭圆轨道的一个焦点上。因此,地球和太阳之间的距离在一年里随时变化。每年1月2日地球和太阳最接近,7月2日离得最远,这两点分别叫近日点和远日点(图45) 。地球在这两点时和太阳的距离是:

近日距离………………………1. 471亿千米(1月2日)

平均距离………………………1. 496亿千米(4月3日,10月1日)

远日距离………………………1. 521亿千米(7月2日)

由此可见,地球在近日点比在远日点,即在1月初比在7月初要接近太阳约500万千米。所以,就整个地球来说,在1月中,地球接收更多的热。那时北半球正在严冬,南半球正在盛夏。事实上,在1月里,日光斜射北半球,热力薄弱,并且昼短而夜长;反之,在南半球日光差不多直射地面,并且昼长而夜短。相反的情形将发生在7月内。这样看来,南半球在夏季因地球更接近太阳,好像要比北半球的夏季更热一些。但是两半球的气候情况是难于比较的,北半球多大陆,南半球多海洋。此外,我们将要看到,地球绕太阳的运动在近日点比在远日点快,因此,在北半球有186日昼长于夜,在南半球只有179日昼长于夜。总之,两半球的气象不能预先机械地加以区别。

◀ 地轴的倾斜 ▶

读者由图45可以明白地球是怎样绕着太阳在转动。首先,你可以看见地球常保持它的自转轴平行的特点,在空间里保持一定的方向,这自转轴不是和黄道面正交,而是斜交成66°33′的角。南极或北极在6个月里被太阳照着,在另外6个月里太阳照不着它。在两分日(春分、秋分)被照着的半球的分界圈恰好通过两极,因此可见,在全球各地,昼夜平分,各为12小时。但是,愈接近夏季,因地轴的倾斜使阳光愈照射到北极的那一面,于是北半球各地白昼越来越长,黑夜越来越短。如果我们研究一下地球在冬季的位置,情形恰恰相反。例如在巴黎,6月里昼长16时,夜长8时,而12月里昼长8时,夜长16时。越是接近北极,昼夜的差异越大。一到了北极,如果不计算黎明和黄昏,则那里6个月全是白昼,6个月全是黑夜。在南半球某一纬度的地方,6个月前或后所发生的现象和北半球在同纬度的地方所发生的现象是相同的。

因地轴倾斜所造成的昼夜长短的不同,随我们所居处的地方而有差异。赤道上每天总是昼长12时,夜长12时。在离北极等于黄赤交角23°27′的地方,或者说,在北纬66°33′的地方(因为从赤道到北极是90°) ,在夏至日太阳便不下落,在半夜的时候,太阳只在北方的地平线上溜过。从这个纬度的地方以至北极,太阳没有起落。在越是接近北极的地方,发生这样的情形的日子也就越多。

法国的纬度范围是自42°至51°,巴黎是48°50′,那里最长的白昼是15 时58分,最短的白昼是8时2分。在这些由于几何学的原因而来的数值上,还必须加上因大气折光抬高了天体的真实位置而来的数值。大气折光的作用使我们在太阳出升到地平线以前,便已看到它升起,而在太阳下落以后,看到它还没有落下。于是,在巴黎最长的昼是16时4分,最短的昼是8时8分。因大气被曙暮辉照明的缘故,更增长了昼长。太阳在地平线下18°的时候,上层大气还被阳光照着,于是便产生了一种奇特的现象:在巴黎6月21日,太阳向西北方斜斜地落下,第二天早上再从东北方升起,可是在半夜,太阳恰在正北方的时候,它只在地平线下17°43′。因此在夏至日,巴黎没有全黑的夜晚,换句话说,就是黎明和黄昏连接在一起了。

人们越向北去,这种效果越是显著。在斯德哥尔摩( Stockholm) ,6月21日半夜还相当明亮,人们可以写字。

因大气折光的缘故,我们用不着到北极圈便可以看见太阳不落,在半夜,它掠过地平线又升上来。在瑞典和芬兰纬度66°的地方,人们可以看见我们认为是奇景的半夜的太阳(图48、图49)。

下表记载南北几个纬度圈上的昼长,表内的数字已经把大气折光的作用计算在内:

下表记载极圈内各地昼长及夜长(极昼和极夜),即太阳常在地平线上不落下,或者常在地平线下不升起的日数,这些数字已将大气折光和地球轨道偏心率的作用计算在内,因偏心率的缘故,在北纬或南纬这些数字是有一些差异的:

图50的四个分图表示在四个不同的纬度上一年内昼夜长短的分布。图中黑影表示黑夜,半影表示曙暮辉,白色表示白昼。横标表示12个月。

首先,我们可以看见,赤道上昼夜总是一样长。在北极那一个图上却表现为另外一个截然不同的现象:6个月的白昼伴随着6个月的黑夜。

愈近北极,曙暮辉增加愈快,因此,实际上有极夜的日子比没有大气情况下的极夜要少得多。

自纬度67°以上,冬至日太阳便不升起。两天、三天以至一个星期过去了,在中午的时候,太阳也不会在南方地平线上升起。更往北去,一个月、两个月不见阳光,世界埋藏在冰雪的黑夜里,只被月亮或间歇的极光照着。太阳不在了! 漫长的黑夜持续几周甚至于几个月之久! 极地的探险家对于这种漫长的极夜描写出异常动人的情景。

美国人皮里( Robert Edwin Peary)经过23年的奋斗,向北极区作了八次探险以后,终于在1909年4月6日到达了北极,在那年3月里还遭遇到零下59摄氏度〔表示温度的摄氏温标(℃),又称百度温标。在这种温标上,0℃相当于冰的融解点(在华氏温标上为32℉),100℃相当于水的沸腾点(即华氏温标212℉)〕的寒冷。到过南极的斯科特( Scott)船长在旅行日记里记载过-44℃ 至-30℃的气温,再加上强烈的冰风,使得严寒的伤害更难以忍受。他的一个分队于1911年8月在罗斯( Ross)大冰障甚至遭遇到-60. 5℃的恶劣气候。

南极在高3 000 米的广大高原之上,可是在北极,北冰洋的深渊下陷到3 000 米深度。

美国海军上将伯德( Richard E. Byrd)曾经到过南北两极。 1926年到北极,1928年至1930年间曾两次到南极,1935年又去过第三次。他曾说过:“到达极点并不算什么,有价值的是你途中所搜集的科学资料;还有一件事,那便是你到了那里,而没有死掉。”这位探险家在1934年南极的黑夜里,在纬度80°8′处建起了他的观测站,地点是在罗斯冰障漆黑的大平原上。他曾经在1934年4月14日的日记上写道“进行了零下89度的日常散步” ,这是就华氏温标来说的,相当于-67. 2℃。他在下面还写道:“我站着细听,四周非常寂静。我呼出的热气透过两腮的时候结成了晶体,好像是一股清凉的微风。验风机对着南极,一瞬间它们都不动了,表示寒冷已‘冻死’了风。我呼出的热气凝结了,悬在头上好像一片浮云。”

他常记录-56℃甚至-62℃的气温。在他的帐幕里,他有时候必须忍受-54℃至-40℃的寒冷(7月7日) 。

再提一下探险家阿蒙森〔Amundsen,挪威极地探险家。——校者注〕,他在1904年在北磁极曾遇到-61. 5℃的最低温度。但这还不算是人类记录过的最低的气温,最低气温的记录是在北纬67°、东经134°的西伯利亚的一个小城上扬斯克,那里的气温曾低至 -69. 8℃。

地球赤道相对于地球运行轨道倾斜的效果,使我们将地球分为五带(图52) :( 1) 热带——这是赤道两边两条回归线,即南北纬23°27′之间的地带,那里的人在一年中的某个时期里可看见太阳经过天顶;( 2) 温带——这是包括在两条回归线与南北极圈之间的两地带,这里太阳绝不会过天顶,而且每天必定落下;( 3) 寒带——这是围绕两极,以纬度66°33′为界限的两地带,那里在冬至日或夏至日期间,太阳连续几天常在地平线上或地平线下。如字面所表示的,热带气候炎热,因为那里的阳光差不多是直射的;在温带,气候温和,因阳光斜射,四季比较显著;最后所说的寒带,真是冰雪严寒,因为阳光仅从地面掠过,每年中有一个时期完全被黑夜笼罩着。

这些区域的大小是很不相等的,热带占整个地球表面的40%,南北两温带占52%,至于南北两寒带,仅占8%。所以,最适宜于人类居住的、文化生活发达的两个温带占地面一半以上,不可居住的寒带,仅占地面很小的一部分。

◀ 季节、气候 ▶

我们现在来讨论地球围绕太阳的运动。

地球因受太阳引力的控制而围绕着太阳公转,这个伟大的球带着我们绕圆圈,7月在远日点,比1月在近日点的运行要迟缓一些。地球每年所运行的轨道全长约9. 4亿千米,所用时间为365日6小时,所以它每小时运行10. 72万千米,每分钟行1 786 千米,每秒钟行29 770 米(约30千米) ,这都是以它的平均速度来说的。至于它的瞬间速度,由7月2日的每秒29 270 米增加到1月2日的每秒30 270 米。所以,在地球围绕自己的轴转一周的期间,它在它的轨道上走了它的直径的200倍那样长的距离! 在一小时里,它走了它的长12 740 千米的直径的倍(图55) 。这种运动,比速度最快的炮弹还要快30倍,真可以说快得难以想象了。如果地球骤然停止不动,它便会立刻燃烧,那将是一场巨大的火灾,会毁灭了这个世界。因此,地球不能在它的前进中停止,即使发生了这样的事,也不会成为历史,因为那时再不会有人来叙述这个史实了。

我们知道,地球在它的轨道上,由春到秋所走的那一段路程,比由秋复回到冬所走的那一段要长一点。这就是说,春夏两季比秋冬两季要长一点,这是因为地球在夏季比冬季运行得要慢一些。下表记载了四季的长短(误差在1小时以内):

因此,在一年中,太阳在北半球比在南半球要多8天。因近地点相对于春分点的运动,四季的长短有一种缓慢的变化,当这两点相重合的时候,春与冬同长,夏与秋亦同长。在1250年,近地点与冬至点相重合,秋与冬同长,春与夏也同长。

天文的四季开始于两分日和两至日,换句话说,即3月21日和6月21日,9月23日和12月21日,因年份不同,可有一两日的差异。这些日子应该是代表每一季的中间日子,因为从6月21日起白昼虽然减短,从12月21日起白昼虽然加长,可是在夏至日以后,因热气逐日积累,温度仍在升高;相反,在冬至日以后,温度仍在降低。每年最热的日子在7月15日左右,最冷的日子在1月12日左右,可是这两个日子随年份不同而大有差异。同理,每天最热在午后2时前后,最冷在早晨4时前后。

可以想象将地球的自转轴延长到天穹上去,就可表示出天上的北极,布满繁星的天好像围绕着这一点在转动,其方向正与地球自转的方向相反。和这一点最接近的星叫作“极星”。从现象上看,所有的星都围绕着北极在转动,当我们望着北极时,这种每日一周的运动是逆时针方向的。星和极的距离如果小于北极距地平线的高度,星辰便不会落下,它们从西方的地平线上掠过,又从观测者的右手或者东方升起。图56表示巴黎的纬度圈上所能看见的几颗主要的星〔相当于中国东北北部一带地区所能看到的星空。——校者注〕。这个小星图对于我们很有用,一方面,向我们表明了绕极繁星的运动,另一方面,也使我们有一个在我们的纬度处永远可以看见的星座的形象。为了避免复杂化,我们只绘出了主要的几颗星。我们可以很快地辨认这些北天星座:最接近极的是小熊座;大熊座由明亮的七颗星组成,又叫作车子,是很容易认识的〔我国叫作北斗七星。——校者注〕;天龙座在大小两熊座之间,呈蜿蜒的形态;此外还有仙王、仙女、英仙和鹿豹等几个星座。以后我们还要讨论怎样认识这些星座和别的星座。读者现在就可以开始去认识这些星座,只需在一个晴夜,望着北方,就很容易找着它们,且很快就会熟悉的。

以图上的北极为中心,这个图沿着箭头所指的方向,在23时56分的时间内转动一周。这图代表12月20日半夜12时的天象,也代表3月20日晚6时、6月20日正午和9月19日早6时的天象。如果我们把这张图上下倒置,那便是6月20日半夜12时、9月19日晚6时、12月20日正午和3月20日早6时的情况了。如果我们将这一页的左边放在下边,这便是3月20日半夜、6月20日晚6时、9月19日正午和12月20日早6时的天象,依此可以类推。

每日天象随时间变化。在描绘好这张图的1小时以后,大熊座升高一些,2小时以后更升高一些,6小时以后它就在天空高处盘旋,随后就往下沉。如果黑夜足够长,那么在12小时以后,它所占的位置正和开始观测时所占的位置相反。因此,人们很容易借大熊座的位置来辨别黑夜的时刻。在巴黎所在的纬度上,大熊座是不下落的,古代人早已知道这个现象,所以古希腊的荷马、罗马的奥维德( Ovide)两位诗人都歌颂过大熊星座。

天上所有的星在23时56分之内都围绕着北极,沿着与地球自转相反的方向运行一周,都两次经过子午圈(子午圈是由北到南把天球分成两个等份的理想大圈),对于有升有落的星来说,其中一次中天(即过子午圈)是在地平线下。它们再从东方升起,缓缓地升至天空的最高处,再向西方落下,正如太阳每日出没一样。天文台有一种名叫子午仪或者子午环的基本仪器,它被装置在子午面内,仅能在这个平面内转动,指向各种高度,而不能左右移动,星过子午圈就是用它来观测的(图33) 。星过子午圈的确切时刻是借助星过望远镜视野中垂直丝的时刻来决定的。

这种望远镜上装有一个有刻度的圆环,位置在垂直平面内,用来测量星的高度或者与天极或赤道的距离,而垂直丝是用来精确地决定星过子午圈的时刻。我们可以说,子午仪能使我们知道星在天球上的确切位置,正如地球上一个城市的位置是由经度、纬度来决定的一样。

这种仪器只能在星过子午圈的时候进行观测,不能指向天空中别的方向,所以这种仪器的用途是特殊的。别的望远镜则可以指向空间任何区域。图57 中的这种仪器,我们把它叫作赤道仪。它有一个等速运动的马达自动地带着这架望远镜沿着和地球自转相反的方向转动。所以如果仪器指着某一颗星,它就跟着这颗星的周日运动行走。这样,对于天文学家来说,地球好像停止了它的运动。我们在这里就不多谈这类光学仪器,因为后面还有专门的一章会谈到的。为了结束这一章,我们还必须讨论地球的第三种运动。

月亮每月围绕我们的地球运行一周,它把地球在空间的位置也整个移动了。事实上,地球和月亮成了一对配偶,绕着它们的公共重心转动(图58) 。月亮的质量是地球质量的1/81,因此这个公共重心距离地球中心比月亮中心距离地球中心要靠近82倍。这个重心离地球的中心只有4 660 千米,我们的地球在每月内绕着在自己内部距离中心等于半径3/4的这一点转动。新月的时候,我们的卫星(月亮)在太阳和我们当中,此时我们离太阳远一些,如果没有月亮,便不会有这种情况(图58) 。反过来说,满月时,我们要靠近太阳一些;上弦月时,我们在轨道上前进了一些,因为那时月亮在我们的后面;下弦月时,我们在轨道上后退一些,因为那时月亮在我们的前面(图58) 。地球这种运动的效果,便使我们看见太阳有一种周期性的大小和位置的变化。我们看到,在新月时太阳要比在满月时小一些,上下两弦月时,太阳好像离开了自己的位置,这个移动的距离可以达到太阳直径的1/150。