如果地球轨道与彗星轨道相同，那会如何？

彗星是太阳系里真正的长途旅行家。它们一生中大部分时间都沉浸在黑暗之中，漂泊于外太阳系无边无际的寒冷深渊中。但有时它们会来拜访一下太阳和附近的行星，在太阳的强热下待一小段时间，这些彗星上的冰块会融化，形成由气体和尘埃组成的小尾巴。随后，来无影去无踪，它们又回到深空里，甚至数千年都不再露面。彗星的轨道与已知行星的轨道大不相同，但要讨论轨道，就不能不说说1609年约翰内斯·开普勒（Giovanni Keplero）发表的几条定律。第一条定律告诉我们，太阳系里所有天体的轨道都是一个“椭圆”，太阳就在该椭圆的一个焦点上。椭圆是一个几何形状，是通过挤压圆形得到的，圆形受到的挤压程度叫“离心率”。当离心率等于零时，行星轨道就是一个完美的圆：椭圆的两个焦点都位于圆心，这颗行星与太阳的距离始终不变。离心率越大，轨道就越长，当离心率等于1时，轨道就变成另一个形状了，叫“抛物线”。这样的轨道不再是封闭的：天体会摆脱太阳的引力，迷失于星际。还有一些天体的离心率甚至大于1，导致轨道变成另一种形状——“双曲线”。这听起来不可能，但不久前人们确实有相关发现。2017年10月发现的奥陌陌（1I/?Oumuamua）正是其中一例。它的轨道离心率如此之大，只有一种解释：这颗小行星是个入侵者，一个不属于太阳系，但偶然经过太阳的星际旅行者。具有这种轨道的天体会进入太阳系一次，而后永远不再回来。圆、椭圆、抛物线和双曲线统称为“圆锥曲线”，因为通过截取一个圆锥的不同剖面，便能得到这些形状。这些几何形状早在古希腊时代就为人所知，你们可以通过非常简单的手段弄出这些形状，比如尝试用手电筒照亮墙壁，慢慢地改变角度，就会看到所有的圆锥曲线。

从实际意义上看，开普勒第一定律认为轨道上有一个距离太阳最近的点，称为“近日点”，还有一个距离太阳最远的点，叫“远日点”。与太阳之间的距离变化导致行星接收到的能量发生变化，并通过季节变化等表现出来。不过，和我们想当然的不一样，地球上出现四季的原因并不是一年当中太阳距离的远近变化，而是地球自转轴与公转面之间存在夹角。实际上这个夹角是固定的，自转轴的北半球部分大概指向北极星方向。这导致太阳光的入射角度和白昼的持续时间在一年中有所变化：角度最大、白昼最长时便是夏天，反之则是冬天。与太阳距离导致的季节变化不同，自转轴引起的季节变化在行星的两个半球上是相反的：当北半球阳光的倾角最大时，显然，与它几何对称的南半球上光线倾角不可能也是最大值。这就是为何澳大利亚人的圣诞节在沙滩上庆祝，并且有时气温甚至超过35℃。

就地球上的季节变换而言，起主要作用的是地球的自转轴，而不是与太阳的距离，因为地球轨道的离心率为0.017，非常接近一个完美的圆。近日点出现在1月2日至5日，远日点出现在7月3日至6日，而在这两点上，日地距离变化非常小，不超过2%。近日点和远日点接收到的阳光总量相差7%，与自转轴产生的影响相比，这一差值可以忽略。

我们可以想象一个很不一样的地球轨道：增大离心率，但保持一年持续时间不变。如果离心率低于0.1，不会有什么大变化，但如果大于0.1，事情就有意思了。举个例子，如果我们把离心率加到0.7，地球近日点与太阳的距离就会变成4500万千米（相当于水星的近日点），而远日点会退到距离太阳2.54亿千米的地方（相当于火星的远日点）。此时，光照变化极大，在这种情况下，我们的地球在近日点接收到的能量将会是目前的10倍，而远日点接收的热量会减少，仅仅是现在的1/3。如果绕这一轨道运行，自转轴倾角实际上就不会对全球气候造成任何影响，也就是说，气候只与日地距离有关。要让情况更复杂一点，需要开普勒第二定律登场：如果用一条假想线把一颗行星和太阳连接起来，那么这条线在相同时间里扫过的面积便是相等的。这意味着行星的公转速度在近日点最大，在远日点最小。地球的正常公转速度是30千米/秒，时速超过100 000千米/小时，在一年中的变化很小。如果离心率变成0.7，地球在近日点的公转速度就会超过70千米/秒，而在远日点则减少到只有13千米/秒。因此，夏天酷热而短暂，冬天严寒而漫长。

太阳是地球上气候变化的主要动力，要弄明白太阳能量的大幅波动如何影响气候，虽然颇为有趣，但需要设计非常复杂的模型。如果地球是由岩石和冰块（忽略大气层）组成的一个很普通的球，那计算它在公转过程中的表面温度就非常容易。岩石的比热容极低，所以会迅速对光照变化做出反应。最终地球就像是一个巨大的彗星，在近日点的平均温度最高达到180℃，丢失表面升华形成的大量气体，但这些气体会在地球离太阳足够远时再次冷却，并在远日点达到最低的-80℃。只有在近日点附近那2个月里气温适宜，而在剩下的10个月里，地球将会是一片冰天雪地。所幸地球并不是一个普普通通的岩质球，它还有海洋和大气。水的比热容很大，有利于调节气候，而大气构成了一道屏障，也就是众所周知的温室效应。因此，外界刺激对地球产生影响需要很长时间，这就能弥补太阳光迅速变化导致的影响，地球可以在一个太阳年的时间里将接收的光能散布到地表各处。但是，如果地球的离心率变为0.7，不管有没有大气，情况都会很糟糕，并且需要具体情况具体分析。

“离心”地球之旅从原位置出发，即距离太阳1500万千米左右。这一距离在天文学中被视作一个标准单位，名为天文单位（Unit Astronomica）。根据开普勒第二定律，地球到达近日点的过程非常短，只用50天就能到达最小距离，即0.3个天文单位。在这个点上看到天上的太阳会是平常的3倍大、11倍亮，全球气温也会迅速上升。但由于海水的比热容影响，全球气温要在经过近日点3周之后才会达到峰值。大陆表面再无法居住：非洲、南美洲、澳大利亚、印度的大部分地区气温将不低于100℃，湖水与河水都将沸腾起来。只有南极气温还保持在0℃左右。大气层中的气体达到饱和，地球会迅速远离太阳这个核能火炉。30天后地球再次与太阳相距1个天文单位，但海水仍在沸腾，全球平均气温在40℃左右。秋天开始了，剧烈的暴风雨随之而来：大气层中的大量水蒸气和海洋里储存的大量能量将导致气旋形成，其威力和尺度大到难以想象。地球继续远离太阳，并在接下来的260天里都与太阳相距一个天文单位以上。气温持续下降，漫长秋季里的雨更为温和。海洋的散热速度十分缓慢。在远日点上（与太阳距离为1.7个天文单位），太阳看着就像现在的一半大，释放出的能量是现在的1/3，但全球的平均温度仍有20℃，这主要是因为赤道处的海水表面温度依旧远高于40℃。雨会变成雪。等地球回到出发点，即与太阳相距1个天文单位时，全球温度降至最低。此时的海水冷却至20℃，而距离海岸最远的陆地区域已经一片冰天雪地。撒哈拉沙漠和澳大利亚内陆变成了潮湿的副极地草原，气温约为10℃，而欧洲、亚洲和北美洲则被埋在几米厚的雪下。新的循环从短暂的春天开始，地球上将出现大范围解冻，因为阳光增加了，不过很快，地球又将回到令人难以忍受的状态。这个气候极端的世界倒不是完全不能住，因为季节过渡期可以形成对生命有利的环境。为了躲过大陆环境恶劣的夏季和漫长的冬季，生物一定会演化出某种机制，或是冬眠，或是逃到海底去。

然而，这个模型隐藏了一个小把戏：要让离心率为0.7的地球适宜居住，还得回到阳光的问题上，得让阳光减弱30%，相当于让地球与太阳的平均距离增加20%。这里需要提到开普勒第三定律：行星公转周期的平方与半长轴（semiasse maggiore）的立方之间比值一定。别被这句话吓到了，它只是想用专业语言说明，轨道面越大，行星完成一次公转需要的时间就越长。增加地球与太阳的平均距离，即椭圆的“半长轴”，就意味着延长每年的持续时间，即拉长公转周期。通过计算就会发现，增大离心率但保持平均距离（和一年时间）不变，会使得地球接收到的能量平均值增加。因此，平均气温便会上升。如果离心率变得太大，地球就真变成了一颗彗星。但一年时间保持不变，那就相当于将位于近日点的地球暴露于强烈的阳光照射下，引发不可控制的温室效应。水蒸气是一种影响很大的温室气体，目前它能在大气层中保持平衡要归功于海洋。若全球平均气温升高50℃，不仅对流层（大气层最底层，即我们生活的地方）中水蒸气会增加，平流层中也会，进而加剧温室效应。而这将促使全球平均气温进一步上升，使更多的水蒸发。这样一个恶性循环会导致海水在短短几年内全部蒸发，使地面温度超过900℃。平流层里的水蒸气会在太阳辐射下慢慢分解：氢消散在太空中，氧附着在岩石表面。没有了海洋，火山喷发释放出的二氧化碳便会停止矿化，并不可避免地聚积在大气层里。板块将会停止运动，因为只有当海洋存在时板块才能运动。剩下的地球如同地狱一般，干裂成一块一块的，被一层厚厚的二氧化碳包得密不透风，温度始终高得能熔化铅。欢迎来到金星，或者说，欢迎来到大约10亿年后的地球：因为虽然缓慢，但太阳亮度确实在不断增加。

对于公转周期为一年的地球来说，离心率只要达到0.45就会出现以上情形，但在我们假设的模型中，地球的公转周期更长一点，所以离心率至少要达到0.7。如果离心率是0.8，那么要使地球宜居，一年就要延长6个月，这样一来，冬夏两季将会变得更加极端：冬天时就连赤道地区都会下雪，大部分时间里欧洲都是一片冰天雪地，其余时间则是短暂严酷的夏天，气温在50℃以上。如果离心率再大一些，比如0.9，那么气候将会更为极端。不管冬天有多长、多冷，气温在短暂的夏季将超过120℃，使得平流层的水蒸气增加并引发不可控的温室效应。如果要通过增加日地平均距离，即延长公转周期来缓解温室效应，那一定会陷入另一个更可怕的境地：全球进入永恒的冰川时代。冬季结成的冰块又白又亮，会将更多的太阳光反射到太空中，导致气温降低，进而形成更多冰块，陷入一个恶性循环，使整个地球变成一个巨大的雪球。正常情况下，温室效应会受到地球上的气候控制，但倘若冬季变得如此漫长、严寒，把地球的一大部分盖在一片白雪之下，那么就连近日点的强烈光照也无济于事：冰块一旦形成，需要很多能量才会融化，而地球经过近日点的时间太短了。令人惊讶的是：6.5亿年前的成冰纪时期（periodo criogeniano），地球至少有一次像这样完全被冰雪覆盖。地质学家不知其中缘由，但肯定不是因为轨道离心率太大。绕圆形轨道运行的行星上也可能出现越来越冷的恶性循环。

我们还能想象一幅更离奇的场景，假设地球被猛地抛到哈雷彗星的轨道上。哈雷彗星的轨道离心率极高（0.976），周期约为75年。它与太阳之间的最小距离是0.59个天文单位，略大于水星与太阳的最小距离，但最大距离却超过35个天文单位，远在海王星轨道之外。不论原因为何，总之在这个平行宇宙中，地球突然走上了这条新轨道。情况将急剧恶化。很快，天上的太阳变得越来越暗淡；仅仅2个月后，日地距离翻了一倍，太阳释放出的热量仅为平常的1/4；5个月后，阳光减弱到原来的1/10。地球上开始下暴雪，先是在两极附近，接着越来越靠近中部，即靠近赤道。气温下降，导致动植物死亡。一年后，日地距离等同于太阳与木星的距离，太阳亮度减弱为正常的1/25。雪停了，因为大气中一点水分都没了。除了极端微生物和海里的浮游生物，恐怕只有少数人能存活下来，他们必须储备大量食物和燃料。慢慢地，地球上的海又全部被冰块覆盖，赤道上也是如此，导致最后一些光合细菌死亡。4年半后，日地距离变为14个天文单位，此时太阳的亮度变为原来的1/200。又开始下雪，但这回与水无关：当气温降到-80℃以下时，二氧化碳开始转化为固体，变成微小的晶体落到地面。温室效应彻底消失。地球继续公转，并在8年半后越过天王星的轨道。地表温度足足降到-150℃以下，除非某个地下城市能使用核能或地热能，否则人类就灭绝了。接下来的时间又开始下雨。只不过，落下的“雨水”是液态氧（氧气在-183℃液化）。液态氧汇聚在凹地里——曾汇聚于此的海水全部变成了冰块——形成一片平均深度为3米的“海”。一段时间后气温降至-196℃，臭氧也会液化，并从大气层落下，与“氧海”混合在一起，使其深度增加12米左右。气温和大气压继续降低，液态氧形成的“海”全部结冰。大气层中剩下的一点臭氧变成小小的球形晶体，和氩一起落到地面上——这将是最后一场雪。36年后地球到达远日点，这时太阳的亮度减弱为1/1200，整个大气层都结成了冰，积在地面上。接下来36年，即地球回到内太阳系的过程中情况保持不变：气温迅速上升，固态臭氧升华，重新形成大气层。但这点气体是不够的。地球靠近太阳时，太阳风会将升华的臭氧吹散，使得地球看似一个巨大的彗星。运动到近日点只需要2个月，之后地球将再次踏上去往外太阳系的漫长旅程。地球在接下来的数千年中就像彗星一样，逐渐丢失所有易挥发的物质，最后除了**的岩石什么也不剩。到那时，我们的困扰就不是季节之间有没有过渡期了。