行星奇妙的温度带分布

对于行星,我们都是把自转轴的方向定义为南北。围绕自转轴旋转的行星地表运动方向定义为东西。在这样的定义下,南北方向出现了空间上的温差 分区,东西方向上产生了时间上的温差分区。

从本质来看,南北方向的温差,源于太阳高度角不同,造成球状地表的纬度差异。行星自转轴倾斜,地球黄赤交角23.5°,导致太阳直射点在南北回归线间移动,高纬度地区(极地)获得的太阳辐射更少更分散,形成从赤道到两极的“空间温差梯度”(热带→温带→寒带)。

话说回来,如果地球自转轴垂直于公转轨道平面,会不会产生温度梯度呢?显而易见地球自转轴垂直于公转轨道面,太阳直射赤道。赤道附近一直维持热带高温,也不会左右摆动。这样形成的温度梯度会稳定固化下来,不再有春夏秋冬这种周期性的冷暖变化。

所以地球自转轴倾斜,造成的结果是地球表面气温的南北摆动,让热带、温带、寒带的温度,在一定范围内,周期变化。

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东西方向的温差是自转引发的“时间性差异”。地球、火星等多数行星自西向东自转,造成地表某点交替经历昼半球和夜半球,昼半球受太阳辐射升温,夜半球散热降温。同一纬度地区,东边先迎来日出升温、西边滞后,形成随时间变化的昼夜温差,本质是“时间维度上的热量分布交替”。

像金星这种逆公转方向的自转,同样造成昼夜变化,同样造成温度以自转周期为周期的变化。同样是“时间维度上的热量分布交替”。

不过必须指出,金星大气的温室效应太强,时间与空间上的温度差异,都比地球、火星、水星、月亮小得多。说起来不敢相信,金星的昼夜温差小于1摄氏度,完全可以忽略;赤道与两极的温差,也只有0到3摄氏度。金星探测器只在距金星地表110公里的高空,检测到了达到30摄氏度的温度变化。

这种温度分布规律是行星运动与太阳辐射相互作用的必然结果,为行星气候系统、大气环流的形成奠定了基础。

有人提出天王星在公转轨道上躺着自转,它的温带与热带划分,就应该是东西方向的。

这是一个非常有想象力的观点,抓住了天王星一个最独特的物理特征——巨大的自转轴倾角。天王星自转轴倾角约98°,导致它几乎是“躺着”绕太阳公转。

但是,我们不能将地球上的“热带、温带、寒带”概念套用在天王星上。天王星的实际情况,比“东西方向划分”复杂得多。就像前边说的,地球气候带温度会南北摆动,天王星的气候带,是更加剧烈地动态变化的。

地球气候带的划分,主要基于太阳高度角和全年接收到的太阳辐射总量。这直接由地球的地轴倾斜和公转决定。

  • 热带:在南北回归线之间,太阳有直射的机会,全年接收热量最多。

  • 寒带:在极圈之内,有极昼极夜现象,全年接收热量最少。

  • 温带:介于两者之间,有明显的四季变化。

天王星的极端情况

天王星98°的倾角,意味着自转轴几乎躺在公转轨道平面上。造成极其奇特的季节变化与日照模式。

在一个天王星年(约84个地球年)里:

当北极指向太阳时(相当于北半球“夏至”)

  • 整个北半球都处于持续的日照之下,经历长达42个地球年的极昼

  • 整个南半球则完全背对太阳,经历长达42个地球年的极夜

  • 此时,如果要说“热”,那最热的地方应该是北极点;要说“冷”,最冷的地方是南极点。温度最高点落在了北极。

当南极指向太阳时(相当于地球“冬至”,南半球进入夏季), 情况完全反转,南半球进入42年的极昼,北半球进入42年的极夜。温度最高点转移到南极点

春分与秋分点时,太阳直射天王星的赤道,这时天王星像正常行星一样,出现昼夜交替,并且赤道地区接收的辐射最多,温度最高。

结论:天王星的“气候带”是动态且极端的。

提出“东西方向划分温度带”的朋友,犯了想当然的错误。细细想象一下,当天王星的一个极点指向太阳时,由于它“竖躺着”自转,同纬度圈的日照情况相同。比如夏至南纬90度最冷,北纬90度最热,赤道是温带,温度带同样是按南北划分的。

而天王星“横躺”在公转轨道上时,确实东半球被太阳照射最热,西半球背对太阳最冷。但天王星自转,而且自转很快,只有17 小时 14 分钟。比地球一天还短。这样同纬度带接受太阳辐射量,还是一样的。

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天王星上真正的“温度带”划分。

  1. 一个“极热”的点:长达42年的极昼期间,持续接受日照的极点是整个半球最热地区。完全颠覆了地球上的“赤道最热”观念。

  2. 一个“极冷”的点:处于漫长极夜中的另一个极点最冷。

  3. 一个变化的“赤道带”:在春秋分前后,赤道地区会暂时成为最热区域,气候带分布与地球表面接近。

天王星的温度分布还是南北分布,但是在长达84年的公转周期中,热带与寒带在南北两极之间剧烈摆动和迁移。

“热带”和“寒带”的角色由北极和南极轮流扮演,每个角色都要持续接近42年。 它的“温带”是在极热区和极冷区之间不断变化的广阔区域,温度和日照条件在时间与空间上也有天翻地覆的变化与不同。还有短暂的赤道作为热带的时候。

想象一个被火把照亮的、慢慢旋转的篮球。正常情况下(就像地球),篮球的“赤道”最亮。如果你把篮球的顶端始终对着火把(就像天王星),那么最亮的就是它的“顶端”,并且随着你绕着火把走,篮球的顶端和底端会轮流成为最亮部分。中间也有成为最亮部分的机会。

以上这些,还都是我们以地球条件,对天王星的想象。实际上,海王星到太阳的平均距离,是地日距离的19.2倍。从天王星看太阳,比蜡烛的光点大不了多少,太阳光强度只有地球的1/400。那么点光,直射斜射,阳面阴面,对温度都没有太大影响。

天王星表面温度,-216°C-224°C。天王星在太阳系中,是一个极度寒冷且温度分布异常均匀的世界。深厚大气带来高效热传递,造成不论昼夜与季节,天王星都沉浸在接近-200°C酷寒中。说这颗淡蓝色冰巨星,整体都是寒带,也不为过。