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

在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？！