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

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?!

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關於作者

賴昭正

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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