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自然科学通俗读本（15）
上面的设想实际上是完全无法实现的。制造这样强大的光源，就当前的技术条件来说是无能为力的，因为如果一个城市只用一个光源，从光源点到我们需要照明的地点距离会十分遥远，因而光照强度会大大衰减。 为了说明这一点，我们不妨假设一下：在纽约城的某个制高点，比如三一教堂的塔顶，在那里设置能够发出强烈光源的瓦斯灯或电灯。于是我们会看到纽约城远近的街道都会被照亮。 为了做进一步说明，让我们设想这样一个场景：假定在与三一教堂隔一个广场的距离上，是一条街道，这条街的方向与百老汇大道垂直交叉，我们且称之为A街。我们再设想，从A街再往远处，也隔一个广场的距离，是另一条街道，与A街平行，我们称之为B街；再往远处，也隔一个广场的距离，又是一条平行的街道，我们不妨称为C街……这样依次类推，我们就有了从A到G这样几条平行的街道，每一个街道跟相邻的平行街道都相隔同样的距离，并且都与百老汇大道垂直交叉。此外，我们还设想另有一条称为X的街道，与百老汇大道平行，并且也隔着一个广场的距离。这样，我们就有若干个广场，这些广场都依赖于同一个巨大的光源来照明。 大家都知道，光照强度是随着距离的增加而逐渐减弱的，我们离开光源越远，光照就越弱；不过，光照随距离减弱的幅度呈现的是一种特殊的比率。说到这里，我们需要做一点补充，因为理解这种变化的比率不是一件很容易的事情。我们将给大家提供一种方法，希望读者用这种方法能够比较容易地认识大自然的法则，更重要的是，希望这种方法能够具有普遍意义。 根据物理学的计算和实验，我们有如下定理： 如果一个光源照亮某一个地方，这个地方距离光源越远，光照强度会越弱，但是光照强度并不是与光源距离等比例地减弱，就是说，距离延长两倍，光照强度并不是减弱两倍，而是减弱两倍的两倍，等于减弱四倍；在距离三倍的地方，光照不是减弱三倍，而是减弱三倍的三倍，等于减弱九倍。用科学的语言表达，就是：“光照强度的减弱与到达光源的距离的平方成正比。” 现在我们用这个定理来解释我们的前面提到的例子。 毫无疑问，设置在纽约三一教堂塔顶的巨大光源照亮A街应该是没有问题的，也就是说，我们假定在这个离光源隔着一个广场的距离的地方，那里的光照程度是可以不费劲地读书看报。 但是到了B街，那里的光线将比A街昏暗许多，光照强度将减弱4倍，因为B街到光源的距离是A街与光源之间距离的二倍，2X2 = 4，也就是说，B街的光照强度只相当于A街的1/4。如果我们站在B街阅读，那么字符的大小必须达到原先的四倍。 C街道距光源的距离是A街的3倍，那么光线的昏暗程度将是A街的9倍，因为3X3 = 9，也就是说C街的光照强度只等于A街的1/9，如果这里要看清书上的字，字体就要扩大九倍。 再下一条街，其距离是A街的4倍，那么根据上面给出的规律，我们所能看清的字体就需要扩大到16倍，因为这里比A街昏暗了16倍。 以此类推，E街到光源是A街的5倍，其昏暗程度将是25倍，因为5 X 5 = 25；而F街距离是A街的6倍，其昏暗程度将是36倍。最后是G街，离光源的距离是A街的7倍，7×7=49，光照强度将减弱49倍，而能看清的字体也需要扩大49倍。 不过，有的读者这时可能会说：“这个问题是可以解决的，我们只要把三一教堂的灯光扩大49倍，那么在G街读书看报就不会有任何问题了。”但是我们的读者朋友很容易会意识到，与其这样，不如把49个灯光分别安设到百老汇各个需要的地方，这才是简便易行的明智之举。 这个例子足以说明，我们可以用一个强光灯照亮公共场所，但是对一条漫长的街道而言，这个办法却是不足取的，更不用说整个城市了。 自然科学通俗读本（16） 第4卷 光和距离
但是正如我们前面解释过的，由于距离的不同造成了光照强度的巨大差异，所以我们有理由相信，尽管太阳系的行星都受到太阳的照射，但是并不是每个行星都像我们的地球这样生机盎然，太阳系中的每一个天体是否能成为生命的家园，这个星球与太阳之间的距离是一个决定的因素，或者说，行星上的生命现象决定于太阳光照强度的合适程度。 自然科学告诉我们，太阳光和人造的光照一样，都遵循一个同样的规律：随着距离的增加，光照强度会逐渐减弱。行星与太阳的距离越远，光照强度就越弱。其减弱的比率，与我们在上文中所阐述过的地面光照随距离减弱的规律是一样的，也就是说，与距离的平方成正比。换句话说，当距离扩大到2倍的时候，光照强度会减少到原先的1/4；距离扩大到3倍，光照强度只有1/9；距离到4倍时，光照只剩1/16。总之，光照强度减弱的程度与距离的平方成比例。 现在，我们已经知道，行星的光照强度与离开太阳的距离的平方成反比。单就这一点而言，我们就可以判断，如果在其他行星上有生命的话，它们也必然与地球生命的构成有很大区别。 离太阳最近的行星叫做水星。它与太阳的距离与地球相比，大约是1:2.5，因此，水星受到太阳照射的强度大约是地球的7倍。我们几乎不能设想，受如此强烈的光照，会产生怎样的后果。想一想，如果我们头上不是一个太阳，而是三个太阳，毫无疑问，我们的双眼一定会失明；因为即使我们完全闭上眼皮，也无法防止我们的眼睛在这样强烈的阳光下被彻底损坏。所以我们可以断定，假定水星上有生命，他们生理结构与我们地球人必然会有巨大的差异。 金星离太阳的距离排列第二，与地球相比是1:1.33，它受到的光照强度是地球的大约2倍。尽管如此，对我们来说也是无法忍受的。这个星球上如果有生物，也一定是一些与我们完全不同的怪物。 我们的地球家园到太阳的距离位居第三。我们每个人对太阳的光照程度也都深有体会，但是还没有人像使用温度计测试温度那样对阳光的照射强度做过精确的测量。不过，最近确实有人提出过测量阳光强度的建议，他是英国的谢尔先生。这项建议在一定程度上引起了科学家的共鸣，特别是受到了德国科学家亚历山大?冯?洪堡（Alexander von Humboldt）的关注。但是这项建议还没有得到实施，尽管它对摄影技术的研究会很有价值。因此，迄今为止我们尽管可以断定月光的强度肯定不如太阳光强烈，但是我们仍然无法了解晴朗夏日里每一天（比如从夏至到立秋）的光照强度究竟有多大变化。 与太阳的距离排在第四位的是火星。火星到太阳的距离是地球到太阳距离的1.5倍。在那里，太阳的光照强度大约是地球的一半。尽管我们有许多日子的阳光照射强度只有平常的一半，但是火星是否适合我们生存仍然值得怀疑，因为光照不仅对我们的眼睛起作用，更关系到我们整个身体的健康。光照的严重短缺，很可能会致人死命。 最近发现的二十四颗天体，它们的光照程度只有地球的六分之一。这些天体即使在白天，其光照也只像1851年那次大日食时一样昏暗。日食毕竟是短暂的现象，如果我们长期在那样的环境中生活，一定会带来许多严重的问题。 离太阳更远的天体，情况会更糟糕。木星的光照程度只有地球的三十分之一，土星为八十分之一，天王星甚至达到三百分之一，而离太阳最远的那些星体，如1845年发现的海王星，光照程度只有地球的九百分之一。 有必要指出的是，尽管许多遥远的行星拥有月亮那样的卫星，但是我们不要忘记，这些月亮本身是不会发光的，作为太阳光的反照，它们的光亮对于行星本身而言，没有多少价值。月光只有在夜空中才能显现，它那柔弱的光线只适合于谈情说爱或深夜狂欢的人们。
自然科学通俗读本（17） 每当一颗新的行星被发现——这种情况在近年来时有发生——科学家就能够在短短几天后测定出这颗星体与太阳的距离，并且能够计算出它环绕太阳一周所需的时间。许多人对此感到惊奇，他们会问：“这也太神了吧？对这样一个刚刚发现的陌生对象，了解的时间又是这样的短暂，却能这样精确地判断出它的轨迹，甚至算出它的运行周期，这怎么可能呢？” 但是，事实上科学家确实能做到这一点。当然，天文学家对天体运行轨迹和周期的预测不会像车站和火车时刻那样准确到几点几分，但他们确实只要观察很短的时间就能得出结论。 天文学家的这种预测已经屡见不鲜了。1846年，巴黎的一位名叫勒维烈（Urbain Leverrier.）的数学家，他没有借助于望远镜的观察，而只是凭着计算，预测在距离我们28.62亿英里的地方有一颗星球，以60,238 天又 11小时的周期围绕太阳运行，其重量是地球的24倍半。不仅如此，他还测定出了这颗行星在天空中出现的时间和位置，据他的预计，如果有足够精度的望远镜，到时候就能够看到这颗行星。 勒维烈把他的这个发现报告了巴黎科学研究院。巴黎科学院并没有认为：“这个人是个疯子，他怎么可能知道距离我们28.62亿英里的地方发生的事情？他就连明天是什么样的天气也不会知道！”也没有认为：“这个人是耍弄我们，因为他的这个假设没有任何人能够证明是错误的！”他们也不认为：“这个人是个骗子，其实他可能曾经偶然地观察到了这个行星，而他现在却装模作样地说这是通过研究和计算推断出来的结果。”事实上，巴黎科学院并没有这样去对待勒维烈的报告，相反地，这一报告中重要价值得到了应有的重视，勒维烈由此成为著名科学家。 勒维烈能做出这样的发现，他的科学依据是什么呢？巴黎科学院的专家们认为勒维烈既然坚信他的发现，他一定有自己的理由。 伟大的成就来自于不懈的努力。 勒维烈向巴黎科学院的报告是在1846年1月提交的。这一年的8月31日，他又递送了关于这个行星的进一步的研究报告，而直到此时他依然并没有观察到这颗行星。对于科学界来说，他们对此并没有感到丝毫的意外和吃惊，只是一些外行对勒维烈的测算表示怀疑和可笑。 到了9月23日，加勒先生（Galle, Johann Gottfried 1812-1910）——他现在是布雷斯劳天文台的台长，当时是柏林天文台的一名研究助理，他因为在天文观察发现的成就而声名卓著——收到勒维烈的一封来信，请他在指定的空间位置观察这颗新星。当时，尽管别的天文台有比柏林更好的天文望远镜，但是由于柏林天文台的位置更加合适，所以被勒维烈选中用来观察的新星。 就在这一天晚上，加勒把望远镜对准勒维烈所指定的天空位置，在离那个位置很近的地方，终于观察到了这颗行星（译注1）。 勒维烈的这项发现，理所当然地被称为科学探索的伟大胜利。的确，这是一次史无前例的重大发现，是我们这个世纪的一项骄傲。亲爱的读者，作为生活在我们这个时代的一员，无论在那一方面，那个领域，一定要有所发现，有所探索，我们才无愧于这个光荣的时代。 我并不是说你一定要做一个天文学家，我只是希望你了解科学的奇迹是怎样创造的。 译注： 自然科学通俗读本（18） 勒维烈在天文学上的重大发现，并不是因为他真有什么神机妙算，他只是在沿着前人发现的科学定律进行了谨慎的摸索。如果说他的发现是一座光芒万丈的灯塔，那么整个的天文学知识正是这灯塔脚下的高山。我们这里说的这个科学定律，是指艾萨克?牛顿的万有引力定律。 如果读者已经阅读过本书前面关于光照的话题（见第50页），那么现在对我们将要介绍的关于重力的讨论会比较容易理解。 每一个天体都具有引力，也就是说，每一个天体都在吸引着别的天体，这种引力有点像磁铁对于铁的引力。如果这些天体，这里我们指的是太阳系的那些行星，如果他们静止不动，也就是说它们不在运行，那么他们将因为太阳的巨大引力而迅速地飞向太阳，最终将坠入太阳而成为一个天体。 但是，这一切之所以并没有发生，唯一的原因就是因为这些行星本身都在运动。行星本身的运动趋势跟太阳的引力合在一起，形成了一种联合的作用，导致这些行星只能环绕着太阳来运行。 这种情形可以用下面的例子来说明：假定在一张桌子的中间放了一个磁力很强的磁铁。这时假设有人在桌子上摆一个铁球，那么这个铁球立刻就会朝着磁铁的方向滚动过去。但是，如果有人事先使劲地滚动这个铁球，让铁球从磁铁旁边滚过去，这时我们会看到，铁球先是沿着直线的方向朝前滚动，但是由于铁球始终受到磁铁的引力，铁球于是就会偏离原先的直线，开始绕着磁铁滚动。 我们所看到的这种环绕运动，来自两方面的作用：第一是由于手的推动，使铁球首先获得直线运动；第二是来自磁铁的引力，它始终朝磁铁本身的方向吸引着铁球。 牛顿，这位伟大的英国科学家，是一位跨时代的科学巨人，他在两百多年前就证明，所有的行星都在环绕着太阳，沿着一定的轨道运行，这是两种力量共同作用的结果。首先是行星自身的运动，这是行星自身具有的惯性，如果这种运动不受干扰，那么他们将沿着直线飞越太空；另外是太阳的引力，它始终在干扰着行星的运动轨迹，迫使行星只能环绕着太阳自身来运行。 牛顿还有进一步的发现。他成功地指出，根据行星环绕太阳运行一圈的时间，就可以精确地测算出太阳对这个星体的引力。这是因为，如果太阳对行星的引力作用大，那么这颗行星的运行速度就快，如果引力弱，那么行星的运行速度就慢。 做一个假设，如果太阳对地球的引力突然减少，其结果是地球围绕太阳公转的速度必然要减慢（译注1）。现在我们一年的天数是三百六十五天，如果地球绕太阳的运行减慢，一年的时间就会有更多的天数。 牛顿还为我们指出另外一个重要的规律——太阳对行星的引力与距离相关，行星离太阳距离越近，受到的引力越大大，而随着离太阳距离的增加，行星受到的引力也会减弱。换句话说，那些距离遥远的行星受到太阳的引力要比近处的行星较小。引力随距离减少的程度，跟光线随距离减弱有相同的规律，这个规律我们不久前刚刚讲过，即强度的减弱跟距离的平方成正比。这就是说，那些与太阳的距离与地球相比是两倍的行星，受到太阳的引力只是地球的四分之一；如果某颗行星距离太阳的距离是地球的三倍，那么它受到的引力就是地区的九分之一。以此类推，我们可以算出不同距离上的行星受到的引力。 这一重要的定律，适用于整个自然界，它是天文科学的基本定律，也是勒维烈发现新星的理论依据。 ——译者 自然科学通俗读本（19）
第3章 伟大的探索 读上面一章的内容，也许会引起一些聪明读者的思考：既然天体之间互相都存在着引力，那么这种引力为什么没有导致一个行星绕着另一个行星运转呢？ 其实，牛顿本人已经注意到了这个问题，而且他已经找到了答案。天体引力的强弱决定于它们自身质量的大小。在我们太阳系中，太阳的质量比任何一颗行星都大得多，因此，在太阳系各个天体之间引力的角力中，太阳占有绝对的优势；所以各个行星就只能绕着太阳旋转（译注 ）。假定太阳突然消失，天体之间的引力将发生重大改变，由此造成的影响将是不可思议的。毫无疑问，太阳系所有的行星将围绕木星运转，因为在太阳系的行星中木星的质量最大。如果跟地球比较，太阳的质量是地球的355,499倍，而木星是地球的339倍，太阳的质量比木星大一千倍。所以，只要太阳有太阳在，地球就绝不会绕着木星转。 不过，木星也并非对地球没有影响。虽然它不能够把地球从围绕太阳旋转的轨道上拉出来，但是它对地球的引力也产生了相当大的作用。据科学家的观察和计算，地球围绕太阳公转的轨道由于受木星的影响，产生了一定的改变，或者说，木星对地球的轨道造成了一定的“干扰”。 正如木星与地球之间互相吸引一样，所有的行星相互间也都存在着引力，都会干扰他们围绕太阳运行的轨道。事实上，每一个行星所运行的轨道，不受这种干扰的情况倒是罕见的。在天文研究中，如何计算这种干扰，是一个很大的难题，在这个科学领域，需要敏锐的思考和积极探索的精神。 说到这里，也许一些读者会想，这种干扰会不会变得越来越强，以至于最终使我们的太阳系乱套成为一片混沌呢？是的，这确实是一个值得思考的问题，法国著名数学家拉普拉斯（Laplace，Pierre-Simon） 也曾经提出过这个问题，他是是上世纪末期的一位伟大科学家。拉普拉斯提出并在一项不朽的著作中回答了这个问题，这个著作就是著名的《天体力学》。他的研究指出，天体间的这种干扰是有时间性的。以太阳系为例，许多星球间的引力互相干扰，最终形成了一种确定的有规则的可以自我矫正的周期，于是整个太阳系的各个星球之间建立了一个完全稳定的运行规则。 从上面的介绍中我们可以明白这样一个道理，即使有某一个行星并不能被我们观察到，但是我们的天文学家依然能够根据现有的行星的轨道和运行周期推测出这颗行星的存在，因为这颗行星的存在，它的干扰必然作用于其他行星的轨道，除非这颗星体的质量太小，以至于它的引力微不足道。 现在我们接着讨论本章的话题。 到了1846年，当勒维烈通过测算成功发现新的行星——海王星的时候，他也推算出天王星是太阳系里最遥远的行星。天王星本身是英国的亨利?赫歇尔（John Herschel）于1781年发现的。这颗行星绕行太阳一圈的周期是84年，按这个周期，1846年并没有能观察到天王星，尽管如此，勒维烈对天王星数据的测算还是很精确的，这是因为他的计算的依据是已知的太阳引力，而且也考虑到了所有行星间引力干扰所可能造成的影响。 不过，即使是完全准确的计算，其结果与天王星的运行的实际观察结果也并不完全一致。在勒维烈发现海王星之前很久，就有人认为，在比天王星更遥远的一个太空区域，尽管用任何望远镜也没有发现任何东西，但是那里极有可能存在一个行星，它使天王星的轨道发生了改变。德国天文学家贝塞尔（Bessel，Friedrich Wilhelm，1784～1846）——可惜他这时已经过早地离开了人世——他也通过计算发现天王星受到未知因素的干扰。但是，在勒维烈成功发现海王星之前不久，贝塞尔不幸去世。而在更早的1840年，天文学家梅德勒（Johann Heinrich von M?dler）在俄罗斯多帕特也在他的论文中提到过这一不明干扰。 不过，真正完整地创建计算公式并最终发现这颗行星，还是由勒维烈实现的。他凭着敏锐的思维得出了令人震惊的计算结果，赢得了整个科学界的尊重。他通过计算，测算出那个神秘天体到底在什么位置，以至于能够如此严重地干扰了天王星的轨道，并且计算出了这个未知天体的质量大小。 我们有幸亲历了勒维烈的成功，他仅仅通过计算，就发现了距离数百亿英里之外的星球，凭的是智慧和探索精神。 光荣属于科学！光荣属于科学精神培育的人们！所有的光荣属于人类的智慧——它给了我们一双高瞻远瞩，洞察一切的慧眼！ 自然科学通俗读本（20） 第6卷 气象 第1章 关于天气 当我们遇到恶劣气候的时候，许多人通常总会思考是什么原因导致了这些糟糕的天气。 几年以前，我们曾经遭遇过“绿色的圣诞节和白色的复活节”（译注1）这种反常的天气，也经历过圣灵降临节之后很长时间，春天才姗姗来迟的年份。而今年，已经是夏天了，但是在一些阴冷的雨天，夜里竟然会有霜冻。如果根据自然景观来判断季节，你一定以为老天出问题了，眼下完全不像是已经进入六月的天气，因为六月本来应该是一个美好的季节啊。 是什么原因造成了这些不正常的天气呢？太阳应该没有问题。现在是六月九日，太阳严格按照日历规定的时间，在早上4点30分准时升起；到早上7点，它也精确地到达了应该到达的位置。现在，太阳正在进入夏天的程序，白天变长，夜晚变短，但它本身并没有能力支配气候。而我们的天文学家朋友，虽然他们能够精确地计算太阳运行的规律，甚至比工程师对火车头的掌握都更精准，但是如果问：“后天将是什么天气？”他们也一样被这样一些简单的问题所深深困扰。 有些日历，特别是为农民印制的日历，上面竟然包括了天气预报的内容，这实在是不可宽恕的欺骗行径。我们不必过多地责怪那些盲目轻信的农民。应该受到谴责的是那些骗子，他们利用公众的轻信和需求，提供这种连自己都不相信的内容，他们才是最可耻的。 我们这一卷篇章将讨论有关天气的知识，这是一门科学，是自然科学的一个重要分支，但是这是一个正在成长中的分支，到目前为止，这个自然科学的新的枝干上还没有结出任何果实。 在遥远的未来的某个时期，我们终将能够预告任何指定地点的天气变化。但是就目前来说，这是不可能做到的（译注2）。常常会有这样一些人，他们声称能够测算和预知任何指定地方的天气情况，而且据说是根据星象进行的测算，对诸如此类的夸口，我们一概不能轻信，他们跟那种预告天气的日历一样，全是靠不住的。 我们前面说到，天气的提前预测将来是可能做到的，因为目前的科学水平正在以足够快的速度向着这个目标前进。但是这需要建立一个宏大的目标体系，如何建立这样的体系，我们应该首先对未来做一些设想。 为了全面观察天气，将在全国范围布满观察站点，站点之间的距离大约为几公里；这些站点之间将用电报线路互相连接，并且由专业科技人员管理；这样，我们才有可能对国家的中心地区做出天气情况预报，不过，也只能是短期的预测。 天气的变化决定于自然环境的特性和空气的运动，也与空气中水分含量以及风向有关。影响天气变化的主要因素是在地球大气层中的气流，它们遇到不同的环境，有的地方冷，有的地方热，就会产生不同的天气——有的地方会下雨，有的地方会下冰雹或雪。 现在，在美国海岸的部分地区已经建立起了电报线路。可以远距离地传递风暴入侵的消息，以及风暴的移动速度和方向。电报的速度比风暴的移动更快，通过电报接受到的相关信息可以及时地获得风暴的去向。在风暴到达之前，人们能够提前采取预防措施，为灾害的到来做好准备。 这是我们在这项新的科学领域里迈出的重要一步。但是，在气象测量站点网站普遍建立起来之前，气象学的真正价值并不会得到充分的显示。所以，气象科学也应该像其他门类的科学一样，首先 要掌握气象学的基本原理，掌握了这些原理，才能为气候的监测和预报提供便利条件；与此同时，也要充分考虑到一些附加的不确定因素，这些因素常常会对气候变化的基本规律产生影响。 现在，我们将尽力向读者介绍气象学方面已有的基本知识，也将介绍一些对气象造成影响的不确定因素，供读者参考。 译注： 1、 “绿色的圣诞节和白色的复活节”，指暖冬和倒春寒气反常气候。圣诞节是在每年12月25日，正常情况下应该进入冬季最严寒的日子，所谓“绿色的圣诞节”是说这时气温还相当暖和；复活节是在4月8日，“白色的复活节”是指复活节前后降雪，是典型的春寒。暖冬和春寒都是不正常的气候。 2、 现代气象预报开始于1856年。法国在这一年建立了正规的气象站网，开始了天气预报的业务工作，这是世界的首创。此后，世界上许多国家都陆续建立起了气象站网，开展天气预报工作。我国最早的气象台是1872年建成的上海徐家汇观象台。而本书1855年在德国出版，其时气象预报站还没有问世。 自然科学通俗读本（21） 第6卷 气象 第2章 季节与天气 我们在上面提到，天气尽管变化多端，但也存在一定的基本规律，这些规律说来也很简单。但是我们如果要预测天气的变化，常常会遇到许多复杂情况的困扰，这些多变的复杂情况超出了我们所能掌握的一般原理，所以我们必须对这些复杂多变的因素给予更多的关注。 气候的基本规律跟地球与太阳的位置密切相关。所以，这些规律是比较确定的，因为天文学是一门比较成熟的科学，尽管没有任何东西会比宇宙中的星球一样离我们那样遥远，但是我们对世界上任何东西都没有像对星座的运行路线和它们之间的距离那样有更多了解。许多读者听到这样的消息也许会感到吃惊——我们对从地球到太阳距离的了解比从纽约到辛辛那提（译注1）的距离还要清楚。的确，天文学方面的知识，是世界上最可信赖的知识。即使是商家卖布，也很难在丈量尺寸时不出差错，所以退一步说，就算对各个星球间距离的测定上也有一定的误差，但是这对于整个巨大的太阳系而言，已经是微不足道了。 地球围绕自己的轴线旋转为每24小时一周，即一天；地球环绕太阳一次的时间为一年。但是，地球的轴线与地球的轨道是倾斜的——地球轨道是一个天体环绕另一个天体运行时所经历的环形轨迹——因此就造成地球在环绕太阳运转时，它的两个极点中的一个，有6个月时间因为向着太阳而被照亮，而在另外的6个月，则是地球另一端向着太阳。于是就发生了这样的现象，地球的北极，有6个月时间全是持续不断的白天，在接下来的6个月里，则是连续不断的夜晚；而这时在南极则是连续六个月的白昼，而接下来的夜晚也同样是连续6个月的时间。而在地球两极的中间，在赤道附近的地带，一年中每个白天都是12个小时，当然，每个黑夜也同样是12个小时。而在赤道和两极之间的各个国家，白天和黑夜的时间长度则随着一年四季在不断地发生变化。 以美国为例，她位于北半球，因为美国所在的北美地区是在赤道和北极的中间地带，因此在在北极处于白昼的那六个月里，美国这时候每天的白天时间比较长，夜晚时间比较短。而在这个时候，在南半球国家，则是白天比较短，夜晚比较长。但是时间转到北极进入漫长的夜晚的那六个月里，相反地在南半球是则是白天长，夜晚短。而在我们北半球这时则是夜晚比白天长。 与白昼和黑夜的时间长度密切相关的是一年中的四季变化，最明显的是夏季和冬季的差别。其原因是太阳的光照和温度在同时发生作用。在白天比较长的那些季节，我们会感到更加温暖，这是因为太阳光给大地带来了更多的热量。而在白昼短暂的那些日子，我们之所以经历着寒冷，也是因为太阳光线不能直射大地。因此，当北半球正享受着夏季的时候，南半球则正在经历着严冬，反之亦然，当我们处在冬天的时候，南半球的人们正在过着夏天。在我们北半球的北部地区，圣诞节会有雪花飘舞，我们会在房间里亮起灯光，与朋友们一起欢度佳节，但是我们也许会想到那些移居澳大利亚的朋友或亲人，当我们正是寒冷冬天的时候，他们那里会是什么样的天气？他们的圣诞节会怎样度过呢？ 如果我们这时收到澳大利亚亲友的来信，我们也许会在信中分享他们的节日盛况，他们会告诉我们，他们的圣诞节狂欢，是在葡萄树下面举行，碧绿的浓荫遮挡着炙热的阳光，晚上很晚他们才回到家里，而且因为天气太热，他们几乎都无法入睡，他们正思念着原先在美国的家乡，如果他们的圣诞节是在家乡度过，此时正享受着冬日的清凉呢。 澳大利亚位于南半球，而我们是在北半球，当我们欢度圣诞节的时候，澳大利亚正当盛夏，而这时我们这里却是一片冰雪。你如果了解到这些知识，就不会对澳大利亚来信中说到的情况感到惊讶。澳大利亚下雪应该是在八月，当我们正是盛夏的时候，远在澳大利亚的朋友也许正温暖火炉边睡觉，也许正在灯下阅读美国家乡的来信。而在此时，我们正在绿荫下散步，享受着午后的时光。 当然，夏天的高温并不完全取决于白天日照的时间长度，冬天的天气也不是完全因为白昼的短暂。主要的原因是，夏季的太阳在正午时间当头直射，光线垂直地射向大地，因而热度非常强烈；而在冬天，正午时太阳更偏向地平线，光线倾斜着照到地面，因此阳光的热度就比较衰弱。 在后面的章节中，我们会介绍太阳的位置对天气的重要影响。 自然科学通俗读本（22） 第6卷 气象 第3章 大气运动与天气 为了对天气有充分的认识，请仔细阅读下面的内容： 尽管一年四季的不同是缘于太阳的作用，是阳光给我们带来了温暖，但是如果没有严寒在地球表面造成的压力，单只太阳的作用也不会产生我们所谓的“天气”。 如果大地只有太阳的普照，那么每年的各个季节中，天气就不会有什么差别，夏天一样的热，冬天一样的冷，天气就会这么一年一年的一成不变地循环。 但是事实上，因为太阳辐射等原因造成了大气的流动，也就是我们所说的风（译注1），它会从冷的地区流向热的地区，也会从热的地方流向冷的地方。正是因为大气流动的作用，我们的天空才会有阴有晴，才会下雨或下雪，才会在炎热的夏季刮来清爽的凉风，才使数九寒天也会有一些暖洋洋的日子，才使盛夏也能遇到清冷的夜晚。换句话说，是大气的流动，或者说是风造成了我们所说的“天气”；也就是说，从冷到热，从干燥到湿润，诸如之类的种种变化，用一个名称来概括，就叫做“天气”。 那么，风是怎么形成的呢？风主要是因为太阳的照射使空气升温而产生的。 在整个地球的上空弥漫着一层厚厚的气体，这就是我们所说的“空气”。空气具有一种特性，就是当它的温度升高时，扩展性特别强。如果你在一只气球里充满空气，把它扎紧，然后放到火炉旁边给它加热，气囊里面的空气会剧烈地膨胀，以致最后爆裂，发出巨大的响声。加热而膨胀了的空气因为体积增大，比重会比冷空气小，所以热空气总是会在大气中上升。 冬天，比较高的屋子一般来说不容易加热，这是因为热空气都跑到天花板去了。在楼房里，底层的房间比顶层的房间也会冷许多。冬天，我们尽管穿着长袜和靴子，但是双脚还是会比裸露的双手更冷，这也是因为脚下靠近地面，空气要比上层的空气更冷的缘故。如果你在一个很冷的楼房里沿着楼梯往上走，你会惊奇地发现，上面要比下面暖和得多。秋天，我们会发现苍蝇很喜欢在天花板上逗留，它们这这样做也是在利用热空气上升的这个特点，因为天花板附近温度比较高，而靠近地板的地方则比较冷；形成这种情况的原因，也是因为热空气比冷空气轻，所以会上升到高处。 地球大气层中的情况也跟屋子里是一个道理。在靠近赤道的热带地区，太阳不断地加热那里的空气，于是那里的热空气就上升。这样，来自北半球和南半球的冷空气就会不断地涌入赤道附近，补充由于热空气上升造成的真空。冷空气到达热带后又被加热而上升，然后又有冷空气接着流入。随着空气向赤道附近的持续流动，在地球南北两极也出现了真空，所以上升的热空气也会流向两极。因此就造成了大气环流运动。这种流动常年持续，造成来自两极的冷空气沿着地球表面向赤道运动，而来自赤道的热空气则从大气层的高处流向南北两极。 因此，我们可以说大气运动是这样循环的，来自两极的冷空气从大气底层向赤道流动，而赤道的热空气则从大气高层返回南北两极。 如果我们留意一下，可能常常会看到这样的奇怪现象——当我们打开窗户散发屋里的烟气的时候，我们会看到烟气从窗口的上部飘出去，而在同时，在窗口的下部，我们却看到烟气是以相反的方向往屋里飘。 这个现象正揭示了一个空气流动的规律，热空气总是浮在上面，所以会带着烟气从窗口的上方流出户外，而外面的空气较冷，所以从窗口的下面涌入，又会把窗口附近烟气带进来。如果留心观察，还会进一步发现，室内上下两层的烟气呈一里一外相反方向流动，而在屋子的中间部位的烟气流动显示，两个方向的空气流动互相抵触，形成一种漩涡状运动的现象。 大气中发生的情况跟我们在所看到的烟气的流动没有什么不同，下面我们将接着介绍大气运动对天气产生的重要影响。 自然科学通俗读本（23） 第6卷 气象 第4章 气象学的基本原理 大气在炎热地区不断地升温，并向着两极地带流动，又从两极返回赤道，这就是大气运动的主要成因。来自地球两极的冷空气进入赤道地带，使热带的大气变冷；然后温度再一次改变，冷空气在热带升温后又向两极运动，使寒冷地带的温度升高。正因为有大气循环的作用，所以在那些寒带地区的国家并不是那么很冷；而在热带国家，我们也不会觉得气温会高得无法忍受。 我们前面说过，地球上存在两种不同的风，这是两种不同方向的大气运动。其中一个从两极向赤道运动，我们称之为“北风”，另一个从赤道向寒冷地带运动，就是我们所说的“南风”。 不过，我们在这里必须增加一个需要考虑的因素，这就是地球的旋转。我们知道，地球绕着自己的轴线由西向东，以二十四小时为周期不停地旋转，地球上面覆盖的大气层也在随着一起旋转。 但是，靠近赤道的那部分大气的运转速度比两极附近的要快得多，这是很容易理解的，所以从两极向赤道沿着地面运动的空气就会不断在向东的方向上增加速度。而相反地，来自炎热地带的空气，它们最初在赤道时具有与地球旋转一起向东的同等速度，在它们从高空越过地球向两极流动的过程中，这种东向的速度会地逐步减弱。 这就形成了所谓的“信风”（译注1），它对航海有非常重要的意义。在我们的北半球，发生在大气底层的信风，是从东北方向吹来，而在大气的高层，它们则是向着从东南朝着东北方向吹。在地球的南半球，大气底层的信风是向着西北方向，而在大气高层，则是向东南方向。 这就形成天气变化的基本规律。 许多人曾经认为，风和天气是不相干的两件事情，其实这是不对的。所谓天气，从本质上说，不是别的什么东西，它就是大气的一种状况。所谓寒冷的冬天，寒冷的春天，寒冷的夏天，寒冷的秋天，所谓寒冷并不是一个固定的温度尺度，在不同季节有不同的所指，是指低于正常气候的那种温度，是指一种天气造成的温度变化，而这种温度变化并不是像一些人所认为的是全球或某一个地区的地球本身温度比通常更冷。如果我们在地上深深地挖一个洞，就会发现那里并没有更冷也没有更热，天气并没有影响到地表以下的温度。即使在地表以下三十英寸这样的深度，那里的温度也不会因为白天而变热，晚上变冷。在一个六十英尺深的井下，就不会感觉到冬天和夏天的温度差别。这是因为地表以下的温度并不随着季节或天气而发生变化。我们所说的“天气”，仅仅是指一种大气的状况，只是大气运动所造成的一种影响。 我们已经说过说，天气有着本身固有的规律，也就是说，大气是按一定的规律运动的。不过我们还必须进一步说明，这些基本规律并不是决定天气的唯一因素，这些规律还会受到许多附加因素的干扰，因此，预先精确地测算天气的状况是不可能的。 现在我们已经了解，决定天气的基本因素有这样几个：一是太阳的辐射；二是大气从两极向赤道的流动并且返回而形成的循环；三是地球旋转造成的信风。 这些都是已经探明的已知因素，因此可以说现在气象学已经具备了坚实的基础。不过，在接下来的章节中，我们将谈到气象学遇到的一些难题，正是这些问题对我们预测天气造成了难以排除的干扰。 译注： 西方古代商人们常借助信风吹送，往来于海上进行贸易，这一点导致Trade wind 有时候被译成“贸易风”，但这是望文生义。Trade这个词并非现代英语中贸易的意思，而是来自中古英语，相当于path、track的意思。所以，trade wind原意是“在常轨上的风”的意思。 信风的形成与地球三圈环流有关，太阳长期照射下，赤道受热最多，赤道近地面空气受热上升，在近地面形成赤道低气压带，在高空形成高气压，高空高气压向南北两方高空低气压方向移动，在南北纬30度附近遇冷下沉，在近地面形成副热带高气压带。此时，赤道低气压带与副热带高气压带之间产生气压差，气流从“副高”流向“赤低”。在地转偏向力影响下，北半球副热带高压中的空气向南运行时，信风空气运行偏向于气压梯度力的右方，形成东北风，即东北信风。南半球反之形成东南信风。 自然科学通俗读本（24） 第6卷 气象 第5章 空气、水分与天气变化 现在，我们来考察一下，是什么对原因大气运动的规律造成了干扰，使天气的变化多端莫测，以致使我们无法预测。 在环境条件相同的情况下，造成天气复杂多变的主要因素，并不是到处存在的空气，也不是地球本身。 任何一位家庭主妇，只要只要有过晾衣服的经验，就一定知道流动的空气能够带走潮湿衣物里的水分。如果她想快一点晾干衣服，那她最好是把衣服晾在更加通风的地方。这是毫无疑问的，让流动的空气把洗湿的衣服晾干，这比靠太阳晒更要见效。 这是什么原因呢？ 原来是这样的。当干燥空气的接触潮湿的物体时，就会吸收其中的水分，这样就会使物体中的水分有所减少。但是如果空气静止不动，那么吸收了水分的空气就会停留在潮湿物体的周围，干燥的过程就会非常缓慢。但这时只要有一点儿风，含有水分的空气马上就会移动到别的地方，这时新的干燥的空气就会不断地补充近来，接触到潮湿的物体，以更快的速度在短时间内带走其中的水分。 因此，并不是只有较高的温度才能使潮湿的衣服变干；即使是在冬天，虽然洗过的衣服被冻得僵硬，只要把它们晾在通风的地方，也照样能够晾干。这是衣服周围的空气不断流通所起的作用。同样的道理，我们的家庭主妇在擦洗完地板之后，会打开门窗，让空气吹进来，地板就会很快晾干。如果是依靠炉子或壁炉，地板并不见得会晾干得这样快。 从上面的生活经验中，我们了解到空气可以吸收水分。我们每个人也都知道，把一杯水放在敞开的窗前，几天功夫杯子里的水就会不断减少，直到最后杯子被晾干。杯子里的水那里去了呢？是被空气一点一点地吸走，直到最后剩下一只空杯子。 说到这里，你也许会问：“哪么，空气吸走的水分变成什么了呢？大气笼罩着整个的海洋，覆盖着所有的湖泊、江河、溪流和泉水，覆盖着所有的森林和土地，流动的空气到处在吸收水分，这些水分到哪里去了呢？” 原来，水分被空气吸收以后，空气中的水分子就会积聚成云，然后它们会变成雨，变成雪，变成冰雹降落下来。 许多人，甚至一些知识分子，对天气现象也会有一些不正确的认识。 他们有的认为，云是一个很大的包，里面装着水，雨就是从云里倒出来的水。这是完全错误的（译注1）。其实，云跟雾是一样的东西，可以认为，所谓云，就是升到大气层高处的雾，而当云的高度降到地面的时候，就成了雾。 懂得了云和雾实际是同一现象，那么要理解云和雨的形成，就很容易了，只要注意观察自己就可以明白其中的原理。 冬天，当人们的手感到发冷的时候，就会伸到嘴边哈气取暖，这时候会看到冰凉的手变得潮湿，上面蒙上一层薄薄的水汽。这是什么原因呢？这是因为我们从嘴里哈出的空气中包含了水分。但是当它们温度比较高的时候，我们并看不见这些水分，因为它们这时是处于气化的状态；我们都知道，当天气突然明显变冷，或者当我们在冬天突然进入一间冰冷的屋子的时候，就会看见我们呼出的气接触到冷的物体，水分的形态就会变成小的水滴，它们甚至会结霜；在严寒的冬天，当我们在户外长时间走路的时候，这些水汽甚至会胡子上结冰。 这就说明，水分子在温暖的空气中是看不见的，但是，当空气温度变冷的时候，其中所含的水汽就变成雾一样的状态；如果继续冷下去，就会凝结为水滴，这就成为雨；在更冷的天气里，它们会变成雪花，在严寒的天气里，水会凝结成冰。 自然科学通俗读本（25） 第6卷 气象 第6章 云雾与雨雪 大气从地球表面的各个地方吸收水分，于是，空气中就像我们呼出的空气一样携带了水分。 携带了水分的大气层，一旦接触到冷的大气层，这些呈气体状态的水分立刻就会聚集成为雾状的形式。我们以前讲过，这种雾状的水分不是别的东西，它就是我们在天空看见的云。这是我们在山区旅行的时候常常可以看到的情景。山谷间常常有云团出现，高高的山峰掩映在白云中间。遇到这样的情景，好奇的孩子也许会爬上山去想亲眼看看那些飞翔的云朵。但是当他兴致勃勃到达山顶的时候，他看到的却只是身前身后的层层浓雾，说实在的，这使他大失所望，这司空见惯的雾气太令人扫兴了。这位好奇的孩子一直以为天空的云与的雾气是完全不同的东西，他没有想到在山下看到的云彩，等他爬上山来到时候却找不到踪影了，他看到的只是些灰蒙蒙的雾气。而当他回到山下的时候，他再看那山顶的云彩就再也不惊奇了，他终于明白，刚才他登上山顶的时候，实际上就是走到云彩里面去了。 现在我们知道了，空气中雾或者云都是同样的东西，都是空气中的水分突然遇冷以后呈现的状态。但是，云彩与雨还不是一回事。云要变成雨，取决于一定的条件，这一点是容易理解的。如果一团干热空气与一个刚形成的云团相遇，那么这团干热的空气将会吸收云团中的水分。这跟我们前面讲过的，潮湿的衣服在风中晾干是一个道理，都是因为干热的空气吸收了水分。但是，如果一团更冷的空气靠近这片含水的云团，那么后者中的水分就会凝聚，云彩中呈雾状的水分微粒就会变成小水滴，这些水滴的重量超过了空气的漂浮能力，于是就落下来，成了雨。 起初，开始降落的水滴也许并不太大，在降落的过程中，它们穿越潮湿的空气，冷的水滴会不断地凝聚空气中的水分，因而增加了体积。因此，我们常常看到落在地面的很大的雨点，其实它们在开始的时候，只是很小的水滴。正如我们所知道的，落在屋顶的雨滴比落在街上的雨滴要小一些。差别以至于会如此巨大，比如在普鲁士的柏林皇家城堡，那里一年内的降雨量比这座建筑物前面广场的降雨竟然少4个半英寸。 现在，我们的读者可以很容易地想到，同样的道理，雪的形成也跟雨的形成基本相似。如果含水量达到饱和状态的空气遇到了非常冷的另一团空气，空气中的原先呈雾状的水分就开始凝结变成小的雪粒。同样地，它们在降落的过程中也会不断地增大，于是在它们到达地面时，我们就看见了一片片飞舞着的大雪花。 著名的德芙教授（译注1）有一次在解释雪花的形成时，讲过这样一个有趣的故事。圣彼得堡的一位音乐家又一次在一个大厅里举行音乐会，来了许多社会名流。那是一个冷得出奇的冬夜，但是因为大厅里人太拥挤而变得太热，这些俄罗斯人感到有些受不了。过了不久，来的人更多，更挤，气氛越来越紧张，有的夫人甚至晕了过去。于是有人就企图去打开窗户，但是没有成功，因为窗户被冻住了。这时一位勇敢的官员想出一个主意，打破一扇窗户，结果你猜怎么着？这音乐大厅里竟然飘起了雪花！这是怎么回事呢？原来大厅里这么多人呼出的带有水汽的气息，聚集在大厅上面，那里的空气变得十分的湿热。窗户被打破以后，冷风突然涌进大厅，湿热的空气中的水汽于是就凝成了雪花。于是，尽管这个大厅并不是露天的建筑，这个密闭的音乐厅里竟然出现了雪花飞舞的奇观。 冰雹的形成的过程，跟雪花大体相似，我们以后会做进一步的讨论。现在我们需要把关注的焦点转到温度变化对天气的影响上，因为我们知道，不仅降雨和蒸发是空气冷热变化的结果，而且在降雨和蒸发的过程中，也会导致空气的冷热变化。 |
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