为什么最热的天是在“三伏”,而不是在夏至?

  我们有幸生活在生命的乐园—地球上面。这里不仅有适于生物生存和繁衍的条件,还有四季的变化。有春季的万紫千红,繁花似锦;又有秋季的红叶簇簇,硕果累累。夏天可以下水游泳,搏击浪花;冬天又能挑战严寒,溜冰滑雪。为什么在地球上的同一个地方,却可以感受一年之中温度周期性的变化呢?

   地球围绕太阳运转的轨道不是正圆,而是椭圆形的。所以有的时候地球离太阳近一些,有的时候远一些。会不会是地球与太阳距离的变化造成四季的变化呢?地球离太阳最近的时候是在一月初,距离是一亿四千七百万公里。那可是北半球最冷的时候。地球离太阳最远是在七月初,距离是一亿五千二百万公里,反而是北半球很热的时候。所以地球和太之间的距离变化不是四季形成的原因。

  地球上丰富多彩的四季变化,是地球的自转轴相对于围绕太阳公转的平面倾斜23.5度造成的。在夏天,北半球倾向太阳,太阳光的方向与地面近于垂直,我们看到太阳在天上很“高”。而在冬天,是南半球倾向太阳,北半球的人看太阳在天空中就很“低”。阳光很“斜”。

   这一高一低,差别就出来了。如果你在晚上用手电筒照地面,就会发现,当手电筒垂直往下照的时候,被照亮的地方面积最小。越是斜着照,被照亮的区域面积越大。太阳位置“高”的时候,太阳光里面的热量都集中在一个小区域,自然这个区域的地面接收的热就多了。太阳光“斜”的时候,同样的热量要分散到更大的面积里面去,单位面积接收到的热量自然就少了。而且太阳“高”的时候,日照时间也长。太阳越“斜”,日照时间越短。这两个因素加起来,才是地球上四季的成因。不仅是地球,太阳系里的其它行星也有自转轴倾斜的,比如火星(25.2度)和土星(26.7度)。它们上面也有四季。

  说到这里,好像一切都清楚了。不过仔细想想,问题又来了。在夏至这一天,太阳在天上最“高”,理应是最热的一天。但在实际上,最热的天不是夏至(大约在6月22号),而是在一个多月后的“三伏天”,大约是7月12号到8月27号。冬至这一天,太阳在北半球最“低”,应该是最冷的一天。但是这里最冷的一天也不是冬至(大约在12月22号),而是一个月以后的“三九天”,从第二年1月下旬才开始。这又是怎么回事呢?

  主要的原因是地球被浓密的大气层所包裹。太阳光并不直接加热靠近地面的空气,而是先加热地面。地面再通过红外辐射、空气对流和水分蒸发把热带给空气。每平方米的地表上面,有大约10吨的空气,可以储存大量的热。这就使地表的温度不会太高。到了晚上,这些热量又使地表的温度不致过低。这样,地球上的昼夜温差只有几度到十几度。火星上空气稀薄,昼夜温差就可以超过100度。在太空中运行的人造卫星,被太阳照射到的地方温度可以到100到200度,而照射不到的部分温度又可以低到零下100到200度,就是因为周围没有空气的缓冲作用的缘故。

  不过这样一来,每天的平均温度就不完全取决于从太阳得到多少热量了,而是每天得到的热量和散失的热量之间的差,是积累的热量的净变化。夏至那天北半球从太阳那里接收到的热量的确最多,但是在夏至过后的几十天中,虽然太阳的位置不是最高了,但还是相当高。日照不是最长了,但还是相当长。每天接收到的热量还是超过散失的热量,所以日平均温度继续升高,到“三伏”天升到最高。只有当太阳足够“低”,每天接收的热量少于散失的热量后,温度才开始降低。同理,冬至过后,虽然日照逐渐增加,但是每天接收的热量还不足以弥补散失的热量,所以“三九”天才最冷。只有当日照强到能超过每天的热量散失时,才到“五九、六九,沿河看柳”的春天。

  这就像烧一锅水。用最大的火自然可以把水很快烧热,但是用稍微小一点的火,水温还是会上升,因为通过锅的外壁和水的表面散失的热量还是少于火带来的热量。只有火足够小(如果炉子能做到的话),锅里的水才会逐渐冷却。火最小时,水温自然会下降。但是比最小的火稍微大一点的火,也挡不住水温继续下降。

  同样的道理,每天中午12点是太阳最“高”的时候,但是一天之中温度最高的时候不是中午,而是下午两点左右。

  如果是在室内,又没有空调,由于房屋(墙壁加家具)能储存很多的热,温度的变化就更和太阳的高度不同步了。夏天室内感觉最热的时候不是中午,而是傍晚。那时尽管外面已经比较凉快了,但是墙壁和家具还在不断地把白天储存的热放出来,以红外辐射的方式“烤”我们,所以就是有穿堂风也不觉得凉快。靠近大江的地方,如中国的重庆,武汉,南京,由于江水在白天被太阳晒热,太阳“落山”以后这些热再散放出来,傍晚就分外的热,形成著名的“火炉”城市。

  有趣的是,地下的温度也和地表的温度变化不同步。比如8月6号一般是地表日平均温度最高的时候。但是在地下60厘米处,要到8月20号温度才最高。在地下1.5米处,就要等到9月10号。在地下3.5处,要等到10月29号。到了地下9.4米处,夏季和冬季就和地表反过来了。窑洞冬暖夏凉,就是因为这个原因。而且由于地下的冬夏与地表相比在时间上可以相差很大,有些植物根部细胞的繁殖反而是在冬天进行,夏天停止。

  火星上空气稀薄,不仅昼夜温差大,日平均气温与日照相比,也没有明显的滞后现象。金星上又是另一番景象了。由于大气过于浓密(是地球上大气压的90倍),又主要是温室气体二氧化碳,从太阳进来的热量很难“逃脱”,使得金星表面烫如炼狱,铅在上面都会融化。这样一比,我们生活在地球的大气中,真是很幸运的。