三种“假设”

解释习以为常的现象，往往要比解释特殊现象困难得多。比如，十进制的计算我们在孩提时代就已掌握，但直到我们尝试用另一种方法，比如七进制或十二进制来表达相同数字时，我们才真正明白十进制的特点。直到我们开始了解非欧几里得几何学时，我们才理解欧几里得几何学的实质。为了更好地理解重力在我们生活中的作用，就要假设它比本身要大很多倍或小很多。当我们讨论重力时，我们就会这样做。而现在我们要使用“假设”的方法，以便能更好地解释地球围绕太阳运动的情形。

我们从中学时熟记的原理开始，即地轴与地球轨道平面之间的夹角约为 个直角。只有在设想这个斜面的角（不是 个直角，而是比如一个直角）时，我们才能很好地理解这个原理的意义。换句话说，假设地轴与轨道平面是垂直的——这是儒勒·凡尔纳的科幻小说《从地球到月球》里大炮俱乐部的成员一直希望的，那么，这会使大自然中的日常现象发生哪些变化呢？

假设地轴与地球轨道平面垂直

这样，我们想象一下，如果在儒勒·凡尔纳的作品中，炮手们的幻想实现了，即地轴与地球围绕太阳运动的轨道面成直角了。那么在大自然中我们会发现哪些变化呢？

首先，现在的北极星——小熊星座α，就不再是北极星了。地轴就不会经过这颗恒星附近，这颗恒星就会围绕天空中的另一个点来运动。其次，四季的交替就完全发生变化：四季就不会交替了。

为什么一年会有四季交替？为什么夏季比冬季温暖？我们不会回避回答这个老生常谈的问题。在中学时对这个问题的解释是远远不够的，但是大部分人通常都没有时间去研究这个问题。

在北半球，夏季会变暖，首先是因为地轴是倾斜的，地轴北端更靠近太阳，白天较长，夜晚较短。太阳长时间地照射土壤，而夜晚地表没有来得及迅速冷却，即吸收的热在增加，而消耗的热在减少。第二是因为地轴倾向太阳，所以太阳在天空中的高度很大，阳光与地面之间的角度也很大。这意味着，夏季太阳不仅照射的时间长，而且光线强烈，而夜晚冷却时间也较短。冬季则刚好相反，太阳照射的时间短且光线弱，而夜晚冷却持续的时间很长。

在南半球，这些现象出现要晚六个月（或早六个月）。春季和秋季两极的阳光照射相同；阳光照射的圆几乎与经线重合，白天和黑夜几乎相等，气候介于冬季和夏季之间。

如果地轴与轨道平面垂直，这些变化还会发生吗？答案是不会，因为地球总是在相同的位置接受阳光照射，而地球上所有的地方全年都只有一个季节。是哪个季节呢？在温带和极地地带，我们可以称这个季节为春季，虽然这个季节也完全可以称为秋季。白天与黑夜，就像现在经常出现在3月21号和9月23号一样，总是相等（就像木星所处的位置，木星自转轴几乎是与木星围绕太阳运动的平面垂直）。

在温带就会出现上述情况。在热带，气候变化不显著；在极地则相反，气候变化将会非常明显。在极地，由于大气折射，太阳会微微高于地平线（图15）。

太阳不会下落，而全年都会挂在地平线上，那就会出现永久的白天，更准确地说——永久都是清晨。虽然低低悬挂的太阳的光线也能带来热量，但并不明显，由于全年太阳将会一直不停地照射，所以极地的严寒气候将会得到显著缓解。这是地轴角度变化所带来的唯一好处，但是这一好处并不能弥补地球耕种方面所遭受的损失。

假设地轴与轨道平面成45°

现在再做另一种假设：让地轴倾斜成直角的一半。在二分点时（大约是3月21日和9月23日），地球上白天和黑夜的交替仍将和现在一样。但在6月，太阳却在45°纬度的天顶（而不是23.5°纬度）：这一纬度将会起着回归线的作用。在圣彼得堡的纬度（60°）时，太阳离中天的距离将一直会是15°；太阳的高度实际上就是回归线的高度！热带将直接与寒带毗邻，而温带将完全不存在。在莫斯科和哈尔科夫，整个6月都将是连续的、没有落日的白天。冬季则相反，整个12月，在莫斯科、基辅、哈尔科夫、波尔塔瓦，都将是连续的极夜。在这段时间，热带将会变成温带，因为太阳在正午时的高度将不会超过45°。

温带也会遭受一些损失，而极地地区却由此而获利：这里寒冷的冬季（比现在的冬季还要寒冷）过后，当正午太阳的高度达到45°时，将会出现温带温暖的夏季时期，而太阳照射也达半年之久。北极地带的永久冰川在阳光的作用下也将会消融。

假设地轴位于轨道平面上

我们的第3个想法是，我们将地轴放在地球轨道的平面上（图16）。地球将“躺着”绕太阳行走，地球围绕地轴旋转，就像我们行星家族的遥远成员——天王星那样旋转。这样会发生什么呢？

极点附近是半年一次白天，在这“一天”里，太阳以螺旋的路线由地平线升向天顶，再沿着相同的螺旋线落回地平线，然后会出现半年一次的黑夜。白天与黑夜之间是暮色和晨曦。太阳落到地平线以下之前，有数个昼夜它都在天空中沿着地平线运动。在这样的夏季里，所有在冬季堆积形成的冰都会融化。

在中纬度地区，白天从春天开始变长，然后在某个时间内全都是白天。经过一段时间之后，最长的一天就到来了，这段时间的天数与该地和极点之间相距的度数相等。而当地纬度数的2倍，就是这最长一天将要持续的天数。

比如圣彼得堡，数日都是白天的情况出现在 3月21日之后30天，将会持续120天。9月23日之前的30天内又会出现数日都是夜晚。冬季则相反：将是连续的夜晚，连续夜晚持续的时间与连续白天持续的时间相同。只有在赤道上，一昼夜中白天才与夜晚相等。

这大约就像前面提到的天王星轴与轨道平面之间的关系：天王星的轴与它围绕太阳运动的平面之间的角度总是等于8°。天王星，可以说是“躺着”围绕太阳运动。

这3个“假设”讲述完毕之后，读者可能会更加清楚气候条件与地轴倾角之间的紧密关系。单词“气候”在希腊语中就是“倾角”的意思，这并非偶然。