【专家谈科普之二】张家诚:行星温度与天文参数

  编者按

  一个合格的科学家并不等同于一个合格的科普工作者,科普工作者应是“活的百科全书”,是在越来越宽的知识面上知道得越来越多的人。而当那些满怀热情,又能触类旁通的专家出现时,无疑会带给大众惊喜。当专家邂逅科普,会碰撞出怎样的火花?敬请关注中国气象网“专家谈科普”系列文章,同时也欢迎各位相关领域的科普专家不吝赐稿。

  张家诚,气象学家。湖南溆浦人(1927.7-)1951年毕业于清华大学气象系。1958年获苏联列宁各勒水文气象学院地理学副博士学位。历任中央气象台预报科副科长,国家气象局气象科学研究所所长,气象科学研究院副院长、研究员,中国气象学会第十九至二十一届理事。主要从事长期天气预报和气候变迁的研究。主持完成的中国历史气候普迁规律的研究,1982年获国家自然科学奖四等奖。

行星温度与天文参数

张家诚

  行星温度与天文参数

  由于行星表层的能量主要来自太阳辐射。人们习惯于认为,地球温度的适宜得益于它同太阳的距离恰到好处。不可否认,日地距离确是地球表层温度适宜的一个主要因子,但远不是全部因子,这只要比较地球附近的几个星球的温度就能得到有说服性的证明。

  同太阳距离接近于地球的行星还有金星与火星,加上地球卫星月球,它们的温度都完全不同于地球,既那里没有生物与人类,也无法确证水的存在。这说明了。地球温度的形成还另有其它不可忽视的许多重要原因。其中最令人注意的是它们的自转速度与大气的成分。

  行星的自转决定其表层各地轮流接受太阳辐射能。日夜相当于阳光的开关。在白天,开关打开了,阳光照耀,夜晚,开关封闭了,阳光进不来。中国古代用阴阳两个概念表述了这个开关的功能,在于把能量用好用活,在理想的状态下发挥物质性能的最佳水平。

  太阳辐射在自然规律性控制下,阴阳适宜,才有利于物质恰到良好状态。譬如铸剑,既要火烧,又要锤打,更要淬火,才能达到无坚不破的最佳状态,问题在于如何准确掌握火候与方法。

  地球自转使各个经度都能轮流得到太阳辐射,使太阳能输送到地球各地。对各地说来, 日夜的长短犹如开关的节拍。如果没有自转,地球就只有一面永久受热,另一面处于永久黑暗的状态,既无生命的节奏,也使温度超乎寻常的高或低,不利于物质的组合与运转,更谈不上生命的出现。

  自转速度犹如节拍,烙饼需要适时翻面,使两面轮流受热,只有节拍适度,才能烤得恰到好处。如果节拍过快,热量来不及作用,节拍太慢,一面就会烤焦,另一面无法烤熟,同样也收不到烤饼的效果。生命活动同样也需要其生理周期性同日夜合拍。

  水星最靠近太阳的行星,理应是温度最高,但它的大气稀薄,几乎对太阳辐射没有影响。其自转周期长达58。6地球天,所以昼夜都很漫长,以致温度能够长期持续上升和下降,形成极大的变幅。在漫长的夜晚温度降低达到-163摄氏度之低,白天又高达327摄氏度。这里既使有水,白天黑夜都不可能以液态的形式出现,自然也无法起到生命物质的功能。

  金星也是一颗自转速度慢,自转周期长达243地球日的行星,但它的情况恰好同水星相反,白天与黑夜的温度几乎完全一样。其原因在于金星有浓密的大气,地表气压高达地球的100倍,大气成分主要是二氧化碳,属于温室气体,故金星犹如一个巨大的温室,使得向阳与背阳两面表层温度都高达477摄氏度,竟然不受日夜漫长的变温影响。这说明了,温室气体的影响不可小视。金星温度显然也完全不具生物生存与液体水存在的条件。

  从水星与金星的特点反衬出,地球不但同太阳距离适宜,而且自转速度与温室气体的浓度也很适宜,所以地球温度的优越性是许多天文与地球的参数恰好同时达到最佳点的结果,其机率极其微小。竟然奇迹般地高度准确地汇聚在地球上,这实在是宇宙中的奇迹。

  除地球表层温度总的达到最佳水平外,更奇的是,地球公转的周期也很适宜。温度水平在季节间档次不同,故季节变化犹如环境能量的依次换档。因为有了季节,在高纬度寒冷地区就有可能出现一个高档能量水平的季节,足以养活一季生长的生物,这就大幅提高了生存的纬度范围,而各纬度圈能量水平的差别更是生态系统的多样性的一个原因。

  重要的是,一年里又有个低能档的季节,为渡过冬季,生物有各式各样的越冬生理功能。为生物增添多样性。

  公转也随纬度形成不同的季节温度差与多种多样的气候类型,这极大增加了生物的品种与特性,有利于更多种类的生态系统在地球上并存,而且也给人类活动与发展提供了更多样化的生态环境,其意义也是不能忽视的。

  资料表现,全球得到最多太阳辐射的地方是在赤道,这里到达地面的太阳辐射量最多,而在冬半球的极圏以上的地区进入没有太阳辐射的极夜。到了夏季,太阳辐射最多的纬度不再在赤道,而在纬度20-40度之间,甚至在60度以上,夏季温度仍然可以达到摄氏30度。在高纬地区太阳辐射的倾斜角虽然减小了,但有阳光的白天却延长了,到了极区,甚至出现全天太阳不落的极昼,竟成为平流层大气温度高的地方。

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