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你真的知道夏天為什麼比冬天熱嗎?兼談邏輯與分析的重要性

賴昭正_96
・2019/09/26 ・2988字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 529 ・七年級

受過良好教育的公民是我們作為自由人民生存的至關必要條件。

——托馬斯.杰斐遜(Thomas Jefferson),美國獨立宣言初稿作者

歲月匆匆,炎熱的 2019 年夏天轉眼又將一逝永不回地從身邊溜過!註1不管你是喜熱怕冷或好冷惡熱,相信每個人都感覺到熱天的時間似乎是越來越長了!

夏天一去不復返啦!圖/pixabay

全球暖化的物理一文裡 (泛科學,3/22/2019) ,筆者就提到了本應該是陰冷的 12 月中旬,台灣卻天高氣爽,好像春天早已光臨寶島!這快速越來越熱的原因,目前大部分的科學家均認為是因為人類大量製造二氧化碳的結果,可是……早在有人類之前,夏天就比冬天炎熱多了,你知道為什麼嗎?

不知道應該不會太丟臉,因為在 1987 年一項對世界頂尖之哈佛大學畢業生訪問時,製片人發現在隨機取樣的 23 位畢業生中,只有兩位真正知道為什麼夏天比冬天炎熱!

迷思一:地球繞日軌道是橢圓形的,夏天比較靠近太陽

筆者記不得是什麼時候首次被問到和想到這個問題,但卻清清楚楚地記得當時直覺的答案是:因為地球繞日的軌跡是橢圓,當地球最近太陽時,當然就是夏天。相信這也是一般人最常見的答案(參見上面所提到之哈佛大學訪問紀錄片)。

因此科普作家、諾貝爾物理獎得主雷德曼(Leon Lederman)在「上帝的粒子(God Particle)」一書中,在提到上面那一調查的結果後,立即謂「順便說一下,答案並不是因為地球在夏天最近太陽」!

為什麼大部分人都犯了這樣的錯誤呢?除了「直覺地想當然耳」外,這可能要歸咎於報導科學的報章、雜誌、及書籍了:為了強調地球繞日的軌跡不是圓的,它們大都將橢圓形狀過度誇大了。例如下圖就是由「互動百科」地球绕太阳公转一文中拷貝下來的地球繞日軌跡註2

圖/互動百科

英文的「Wikipedia」 Earth’s orbit一文中誇張得更厲害了:

圖/Wikipedia

雖然文章中提醒讀者謂「該圖顯示了地球軌道的誇張形狀;實際軌道不像圖中那麼偏心」,但一般人是不會注意,只對圖形留下深刻的印象!事實上說地球繞日的軌跡是圓的可能還比較恰當:離太陽最近是冬天的一月,為 1.47 億公里;最遠時反而是炎夏的七月,但也只有 1.52 億公里──遠了不到 4%註3

迷思二:地球自旋軸傾斜讓北半球接近太陽

網路上的答案幾乎全謂是因地球的自轉軸是傾斜的關係(見下圖),然後解釋說:當北半球朝向太陽傾斜時,因為最接近太陽,所以最熱,即北半球的夏天;冬天則正好相反,南半球朝向太陽傾斜註4,故南半球較熱(該地的夏天)。

從圖中我們可以看出,在北半球是夏天時,北半球確實是比較靠近太陽的,但相差有限(地球的直徑才13,000 公里而已)!前面說過,距離相差 0.05 億公里的繞日軌跡上兩點都不會造成冬夏之分,這微不足道的有限距差,怎會造成地球的四季呢?因此這一解釋是不對的!

解答在此:自轉傾斜,影響了太陽光照的角度

當光線垂直照射在地球表面時(表面與光線垂直),單位表面面積所接收到的能量強度將最大;如果表面與太陽光線成 45° 相交時,單位表面面積所接收到的能量就只有前者的 71%而已!從上圖我們可以看出,在夏天時,北半球表面大約有 1/3 的表面在中午時都是與太陽相當直角,而南半球則全在太陽斜照下!

這正是雷德曼的解釋:「地球的旋轉軸是傾斜的,所以當北半球朝向太陽傾斜時,光線更接近於垂直的表面,一半的地球因此享受到夏天; 另一個半球得到斜射線——冬天。 六個月後情況發生逆轉。」這種正確的解釋也出現在少數的網路文章裡。

圖/needpix

但是筆者認為這只是部分因素,迼成夏冬溫差那麼大可能還有另一原因,那就是夏天時北半球受到陽光照射的時間比冬天長得多:例如北極整天都是白天(冬天時整天都是黑暗),舊金山日光照射的時間 15 小時(冬天 10 小時),台北市白天的時間 14 小時(冬天 11 小時)。但因為這些多出來的時間大多是太陽斜射,所以筆者就不知道是不是比較重要(有興趣的讀者不妨研究一下)。

科普的重點不是知識,而是邏輯與分析能力

雷德曼之所以提到哈佛大學的問卷結果,是因為有感於科技與日常生活越來越密切,在一個民主國家裡,如果民眾缺乏科學知識,如何能當國家的主人,參與政策的決定呢?相信所有「泛科學」的讀者都跟筆者一樣,完全同意這一看法!但你答對了嗎?說來慚愧,自認為是科普知識廣博的筆者,直覺的第一個答案竟然是錯的!

筆者一直鼓勵學生學習數學與物理,事實上一點都沒有希望每一個人都成為科學家,而是認為數理可以訓練邏輯思考與分析的能力。在這一科技飛速發展的時代裡,唯有具有這樣的能力才不會被淘汰。具有廣博科技知識是很好的,但如果缺少分析能力,是很容易被「花言巧語」辯倒的!

可悲的是,在越來越急功近利的社會裡,公司要找的新血常是要有經驗的畢業生(使得大學越來越像是一個職業訓練中心),而不是有基礎、肯學習及具分析思考能力的本科生。還有,筆者也一直鼓勵學生應該多多寫作:你可以完全「不負責任」地回答考卷,但要「白紙黑字」地寫下來註5,那可得深思,確定每個論點的正確性!

圖/pixabay

備註

  1. 投稿的時候是夏末,現已過了秋分。
  2. 因地球繞日,太陽直射在赤道上面時,就是「春分」及「秋分」。春分後,直射點便慢慢往北移動,到北迴歸線時稱為「夏至」,開始往南迴歸,經過秋分點,到達南迴歸線──稱為「冬至」──後,又折回開始往北迴歸。如此生生不息,造成地球的四季。
  3. 單位表面面積所接收到的能量與距離的平方成反比,因此最遠所受到的能量為最近的 92%。這一差距是造成南半球夏天時間比北半球夏天時間短的原因。
  4. 北半球冬天(南半球夏天)時,圖中的光線將由左邊射到右邊;春、秋兩季的光線則分由圖面上、下射到對面。
  5. 筆者在「科學月刊」發表「電動汽車值得發展嗎」(2013年7月)一文,經台灣立報轉載後,行政院環境保護署空氣保護及噪音管制處處長謝燕儒即投稿該報謂「電動汽車絕對應該發展」。在一個民主國家裡,這種討論不但是正確的,事實上還應該受到歡迎與鼓勵!但卻有一位讀者在網絡上留言謂筆者應回到專業,不要隨意發表門外漢意見(有關電動汽車是否值得發展的各種論點,請參考「我愛科學」,華騰文化有限公司,2017年12月出版)。請注意:這裡討論的是科普的範圍與國家政策的問題,而不是製造電池和汽車的專業知識!在一個健康的社會裡,人人都應該、且有能力參加這樣的討論!如果只有專家才能發表專門意見,那門外漢的筆者可以告訴你,依各行專家的意見,結論必定是:電動汽車一定要發展,核能電廠一定要建,原子彈一定要擁有,燃煤一定不能廢棄,藥一定要吃,刀一定要開,手機、電子香煙、阿片類藥物、5G等等絕對安全……。哦,差點忘了:筆者是學化學的,因此依筆者專家(?)的意見,化學一定要學!讀者請用邏輯分析一下:專家是靠什麼吃飯的?老王賣瓜,能不說瓜甜嗎?!

文章難易度
賴昭正_96
28 篇文章 ・ 25 位粉絲
成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。


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地球在20年間「亮度」變低了!——地球暖化讓陽光反照率直直落

Mia_96
・2021/10/23 ・2757字 ・閱讀時間約 5 分鐘

地球暖化會造成溫度升高?不稀奇!地球暖化會造成人類生活環境越來越嚴峻?也不稀奇!但你有聽過,因為地球暖化,讓我們的亮度竟然逐年遞減,地球變得越來越暗嗎?

地球亮度的改變並不是近期才出現的新興議題,關於地球亮度的變化,科學家早在 1990 年代前後便提出一種現象「全球黯化」(global dimming)去解釋為何地表獲得的太陽光能量越來越低。

當時透過資料指出,進到地球的太陽能量大幅降低,從 1950 到 1990 年入射至地表的太陽光能量,竟然平均減少 4%! 也就是身處在地球上的人類會覺得地表的亮度似乎逐漸地降低。

但入射地表能量降低的原因並非是太陽發出能量的變化,而是因為近幾年我們最常耳聞的,空污現象! (圖/pixabay

當人類使用石油、煤炭等非再生能源發電時,會在環境中產生許多氣膠微粒,而這些氣膠微粒進入大氣,微粒可以吸收、反射入射到地球的太陽光,使太陽之能量無法進到地球表面,進而造成地球亮度降低。

而全球黯化同時也影響著人們過去對於全球暖化的理解,當全球黯化造成入射到地表的太陽光減少時,代表著地球所獲得的能量並不如過往我們所想像的這麼多。換句話說,全球黯化所造成的冷卻效應竟比不上人們所造成的暖化速度!

知曉地球改變亮度的方法——地照!

近期最新研究更是顯示,1998 年到 2017 年近十年內,地球的反照率逐年下降!除全球黯化造成地表獲得太陽能量減少外,當從外太空看著地球時,地球竟然也越來越暗了!

反照率是一種常用於亮度表示的方式之一,其指的是太陽電磁波段入射至地表的總量質,除以被地表反射的量值所得出的數字。不同的地表特性即有不一樣的反射量質。因此,透過反照率的升降,科學家也可以推估氣候變遷對環境所產生的變化與影響。

計算反照率的方式十分特別,在科學中我們將其稱為「地照」!

地照現象指的為當太陽光照射到地表,地表會反射部分太陽光,而當地表反射太陽光至月球未被太陽照到的地方時,月球又會將地表所反射至月面的光線反射回地球。

看似應該沒有被太陽光照射到的月球表面,其實也會因為地球反射之陽光而產生微弱的光。而最適合觀測地照的時間通常為弦月時分。 (圖/Wikipedia

地照的變化與地表的改變息息相關。例如冰雪的反射率較高,當地表溫度較低,累積較多冰雪時,地照數據便可能會上升;而洋面的反照率較低,當地表溫度較高,造成冰雪融化成海洋,則地照數據便可能會下降。

透過地照反射的光線強弱,可以推測地球反照率的變化,進而推測地表本身變化。 (圖/Wikipedia

除了利用地照觀測地球反照率外,為使觀測更加精確,科學家利用於 2000 年發射的 CERES 儀器(Clouds and the Earth’s Radiant Energy System)觀測大氣至地表的太陽光輻射與地表放出之輻射,並進一步分析對影響地球溫度的重要因子──雲,和太陽輻射的交互關係。

CERES 主要希望可以解答雲在氣候變遷中所扮演的角色與造成的影響,是美國國家航空暨太空總署地球觀測系統(EOS)計畫中的一部分。 圖/Wikipedia

研究結果分析發現,從 2000 年到 2015 年,地球反照率曲線一直維持接近平坦的狀態,但近年,地球反照率的衰退卻日益明顯,如下圖表示:

(圖/參考資料 1

橫軸座標為年度,縱軸座標為地照反照率之異常改變(單位為每瓦/平方公尺),黑色為地照異常之數據,藍色為 CERES 觀測到異常之數據,而灰色陰影區域則為誤差範圍。從圖中可以看出,地照反照率在這幾年下降約 0.5 W/m2,而 CERES 之數據則是下降約 1.5 W/m2

十年一變──太平洋年季震盪

科學家推測,改變反照率的原因,是週期性發生在太平洋的氣候變化──太平洋年季震盪。

太平洋年季震盪指的為太平洋的海水溫度會以十年為週期尺度產生變化:當北太平洋和熱帶太平洋間的海水溫度較高時,稱作暖相位;而當北太平洋和熱帶太平洋間海水溫度較低時,稱作冷相位。

而地球亮度改變的原因,正是因為太平洋年季震盪到了暖相位,造成海面低雲減少,反照率降低!

低雲較為溫暖,其主要成分是由水滴組成,當太陽輻射照射水滴時,較多太陽反射至太空,地球的反照率較高,也造成地表溫度降低;而高雲主要成分由冰晶組成,透光性較佳,再加上高雲通常體積較低雲薄,故太陽輻射可以順利進入地表,地球反照率相對降低。

當北太平洋與熱帶太平洋間海水溫度升高時,洋面上空氣需達到飽和的水氣量相對增加,氣塊達到飽和條件較高,低層雲較難生成。(其實背後原因極其複雜,作者僅是以最簡單的方式嘗試解釋。)當低層雲減少時,反射率降低,造成較少太陽輻射至太空,地球亮度因此變得越來越暗。

雲在地球輻射能量中一直扮演著重要的角色,低雲反射太陽輻射的能力較強,高雲吸收地球輻射的能力較強,因此較多的低雲往往造成地表降溫,而較多的高雲則會造成地表增溫。 (圖/pixabay

交織纏繞的反饋機制

看完整篇文章也別急著下結論!其實地球上的現象不僅環環相扣,影響因素更是族繁不及備載,從海溫改變的原因、高低雲量多寡的變化、反照率升降的主因……,我們都很難用單純或是絕對的一段話去完整解釋自然界的現象。

科學家所能做到的,是透過原因推導、盡力的去解釋現象,所以關於地球反照率下降的趨勢原因,除了太平洋年季震盪、海溫升高、低雲變化等,或許也還有科學家尚未清楚的其他可能性。

但同時,令科學家擔心的事情是,因全球暖化造成地表的反照率降低,代表地表接收到的能量、進到地表之能量相對增加,而吸收的能量又加速全球暖化的速度,地球或許會因為這樣的回饋機制持續升溫,造成更加嚴重的溫室效應。如何去因應溫度上升造成的種種問題,也將會是我們需要不斷去思考問題。

參考資料

  1. AGU AdvancesEarth’s Albedo 1998–2017 as Measured From Earthshine
  2. science alert,《Two Decades of Data Show That Earth Is ‘Dimming’ as The Planet Warms Up
  3. Wikipedia,《Clouds and the Earth’s Radiant Energy System
  4. Wikipedia,《行星照

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Mia_96
156 篇文章 ・ 375 位粉絲
喜歡教育又喜歡地科,最後變成文理科混雜出生的地科老師
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