13.三大假设

有的时候，一些寻常的东西比那些不寻常的东西更难解释，比如十进制计数法。如果你想解释它为什么好，你可能无从下手，只有当你将其和七进制以及十二进制的计数法相比时才会体会到它的精妙简便；在你学习非欧几里得几何学时才能理解欧几里得几何学的要点；想要理解重力，就需要构思一些不寻常的情况。

我们知道，地轴和地球公转轨道有66°34′的夹角，然而这样的情况直接想来是理解不了的，只有将这个夹角想象成90°才能够理解，就像凡尔纳所著《底朝天》中炮兵俱乐部中人们的幻想。那么如此说来，幻想成真后又会如何呢？

假如地球自转轴和公转轨道面垂直

如果上边这个假设成真，地球会发生什么事？

首先小熊座α星，也就是北极星将不再在北极，因为地轴指向变了，不会指向它了，天空将围绕着另一个点转动。除此之外一年当中也不再会有四季。

四季的交替因何而起？夏天热冬天冷的原因何在？这两个问题非常普遍，但是由于书本上学到的东西本来就少，并且在不学习之后也没什么空闲去考虑，导致这两个普遍的问题也很难弄清楚。

由于地轴的倾斜，导致北半球的夏季白天比黑夜长，白天吸收的热量多，晚上散发的热量少，并且太阳照射角度更接近垂直，阳光照射更厉害，于是夏天天气比较热。同理冬天天气比较冷，夜晚散热较多，阳光照射角度小，强度不高。和北半球正相反，南半球的冬季和北半球夏季，以及南半球夏季和北半球冬季情况如出一辙。

于是，当地轴和地球公转轨道面垂直之后，地球相对于阳光的位置将不再变化，地球上也就不再有四季了，每天都是类似春天（或者秋天）一样，昼夜长短一致。太阳系中，木星的自转轴就几乎和其公转轨道面垂直，于是木星上大概就是如此现象。

这种情况下，由于热带的气候变化本来就不明显，导致赤道上的变化并不明显，相比之下，温带和寒带变化就比较明显了，温带上边已经说过将不再有四季，而寒带则是变化巨大。

由于大气折射，这些地方天空上的星星将升高一些，如图15。此时太阳将永远不会落下（本来是一直处在地平线以下或者和地平线相交，但是由于折射导致其一直处于地平线以上的“早晨”的状态）。于是在经年累月不变的阳光照射下，本来酷寒的极地会因此变得暖和一点。这虽然是个好事，但是并无法弥补其他地方的损失。

图15　大气的折射

假设地球自转轴和公转轨道面成45°

这一种情况和第一种又不一样了。这种情况下，6月22日前后时太阳会直射北纬45°而并非23°26′。于是，北纬45°的地方将会是“热带”，位于北纬60°的圣彼得堡也将是热带，因为太阳光和地平线夹角达到了75°，已经接近直射了。于是这种情况下，热带会直接和寒带相连，温带将不复存在，莫斯科以及哈尔科夫在6月时将迎来极昼，太阳一直挂在天上。而冬天的莫斯科、哈尔科夫以及基辅、波尔塔瓦将迎来极夜。在莫斯科的冬季到来时，原本的热带由于午时太阳高度不超过45°，导致变成温带。

这种假设下热带和温带地区损失巨大，而寒带地区获得了好处：不再是一成不变的严寒，一年中有一半的时间是温暖如温带的“夏季”。

假设地球自转轴位于公转轨道面上

此时地球自转公转的想象图如图16。其实这种假设不是没有，天王星的运转方式就和我们假设的一样。在这种情况下，极地地区的一个昼夜将从1天延长至1年，太阳花费四分之一年从地平线旋转升起，花费四分之一年从正天顶旋转下落（旋转一周的时间是假设之前的1昼夜），直到再也看不到。此时便是长达半年的夜晚。于是，不管极地地区在极夜时积累了多少的冰，在极昼时都将融化殆尽。

北半球的中纬度地区都将是从春天开始白昼变长，之后开始极昼。地区所在位置的纬度决定了春分和白昼之间的间隔时间，比如圣彼得堡，这里的白昼到来日期将是春分（3月21）之后的30天，并且持续时间将是120天。当然，在秋分时开始黑夜将变长，之后便开始极夜。

当然，上边提到的天王星其自转轴和公转轨道面之间夹角仅有8°，可以说它表面上的真实情况其实和我们上述的假设很相符。

图16　假如地轴放在地球运行的轨道时的情况

于是，在看过了这三个假设后，我们就能够大致理解地轴倾斜度和气候之间的关系了。希腊语中，“气候”一词有着“倾斜”的意思，可见这也并非完全没有道理。