作者:龎鈞翰

審定:鄭弼升、嚴天浩

哈雷的時空背景

 15世紀開始,歐洲正式步入了大航海時代,西歐的各個航海家紛紛從海外帶回令人感到驚奇的物件、見聞紀錄以及對異於歐洲內陸所見所聞的經驗分享。為了不落人後地趕上發跨海貿易財的風朝,英國也在1600年成立了不列顛東印度公司(British East India Company),經營印度至東南亞地區的海上貿易活動,並且也在1607年開始穩定地對北美洲地區進行殖民與貿易交流活動。

由於頻繁的海上貿易活動,歐洲人們開始留意到觀測氣象以及星象,以確保航行安全的重要性,否則原本出海賺大錢的海上旅程,就很容易變成踏上黃泉三途川的人生盡頭。因此,歐洲各國參與海上冒險的國家,便使用在17世紀開始奠定的科學方法,研究氣象與天文現象的變化,並且量測氣壓和氣溫的可攜帶式工具,也如同雨後春筍一般紛紛登場於歷史舞台。

16世紀末開始,歐洲的科學家們開始傾向用機械運作和粒子分析的角度,來解析自然界中的現象,而各種物質的力學運動在17世紀中葉時,也被英國的牛頓(Sir Isaac Newton)、虎克(Robert Hooke)等人,以實驗記錄和數學性的方式整理出了規則,義大利的伽利略(Galileo di Vincenzo Bonaulti de Galilei)也首要地提出了,航海時最需依靠的自然力量 - 風的產生原因,是由於地球向東自轉,空氣粒子跟不上地球的自轉運動,而產生的流動現象;這項理論的提出是奠基在伽利略觀察到西歐和南歐人,普遍用於航行到北美和南美洲的低緯度地區風向,幾乎是穩定地由東向西吹,很符合相對運動產生的現象。但是,當航海家冒險地足跡踏往南亞和東亞地區後,風向卻發生了不同於伽利略解釋的變化,因此,科學家們便又再開始試圖找到這些世界上各區之盛行風向的產生原因。

哈雷的經歷

圖 哈雷的肖像畫。

圖片來源: www.pb.ps-taiwan.org/catalog/ins.php?index_m1_id=2&index_id=349

1656年哈雷(Edmond Halley)出生於倫敦的一個富有肥皂製造商家庭,從小對數學感興趣並展現出極高的學習天賦。1673年哈雷進入英國最古老的第一學府牛津大學(University of Oxford)就讀學士時,因受到第一位英國皇家天文學家(Astronomer Royal)兼格林威治天文臺(Royal Observatory, Greenwich)負責人 - 弗蘭斯蒂德(John Flamsteed)的啟發,開始對當時為解決航海問題,而和氣象結合在一起的天文學感興趣,並在學士班畢業時,以太陽系的運動以及太陽黑子為題,作為畢業論文,以相當優異的成績畢業。

在1676年的畢業後,哈雷加入了英國官方的天文臺團隊工作,並前往位於南大西洋的聖赫勒拿島(Saint Helena Island)做長期的天文與氣象調查,並繪製了一份相當詳盡的當地星象圖,以及寫了一份說明該圖的論文,由於這是史上第一張描繪南半球星象的觀測圖,因此廣泛獲得學界的好評,隨後並在1678年直接以該文章與星圖,被牛津大學授予碩士學位,和當選了皇家學會的院士。

圖 位於大西洋南部、南半球的聖赫勒拿島位置圖。

圖片來源: www.pinterest.com/pin/190840102934994397/

在進入皇家學會後,因為長期觀察氣象和天文的緣故,哈雷開始對引起恆星、行星之運行為與天氣變化的機制感興趣,因為當時解釋這些機制的主流,乃力學及萬有引力定律,因此,為深入瞭解這門學問,哈雷便和當時該領域的學界泰斗 - 牛頓(Isaac Newton)有過長期的深入交流。雖然哈雷的天文學老師弗蘭斯蒂德已經在他從牛津大學畢業的幾年前,就和牛頓因為牛頓的著作中,對弗蘭斯蒂德的研究資料引用不當之問題鬧翻了,不過哈雷顯然沒有卻步於師父輩的恩仇之中,不但謙虛地去請教牛頓,並且還成為了脾氣怪異而小心眼地牛頓,少數能放心的朋友,甚至鼓勵牛頓出版了他匯集17世紀力學解釋的經典巨作 - <<自然哲學之數學原理>>一書,雖然這本書出版時,出現了滯銷而可能讓牛頓賠本的危機,但家境富有的哈雷仍是很有義氣地斥資鉅額收購了多本以支持牛頓 。

雖然在1680年代回到英國後,哈雷回到英國本土的學術界,受到喪父的噩耗、並且被夾在虎克與牛頓搶奪"萬有引力發現之父"名號爭端中,但他仍是能不受這場兩位好友間的爭端和喪事的影響,並平心靜氣地和兩者討論研究上的事物,而且和無論虎克還是牛頓都保有良好的、亦師亦友的關係,可見他的是位集聰明才智、風度和圓融態度於一身的上流紳士科學大家!

哈雷發現的第一個問題

雖然從聖赫勒拿島回到英國後,哈雷發表了南半球低緯度區的星圖,已塑造了歐洲科學史上了不起的成就,但是在島上調查收集來的資料中,卻仍是蘊藏了一件讓哈雷懸在心頭的未解之迷,也就是當時在天文臺工作的團隊,除了天文觀測的另一項重要任務 - 對航道乃至於全球各地的風向觀測與成因之解釋。

讓哈雷一直想不透的是,他發現雖然伽利略已經解釋了,因為地球向東自轉的緣故,沒辦法跟上地球轉速的、懸浮在地球表面的空氣粒子,因為產生了與地球自轉向反向的相對運動,而有了地球低緯度區的東風,但是實際上,天文臺所收集到的地球北半球低緯度風,是吹東北風而不是東風。倘若真的決定全球風向的成因,完全是基於地球自轉時的空氣粒子之相對運動所引起的,那全世界的風應該都是一致從東往西吹,所以不應該會讓風向有由北向南吹的現象。

圖 地球冬、夏二季,南/北緯40度以下區域盛行風向圖。可以看出印度洋和太平洋西部地區風向,隨四季的改變是比較明顯的。(a)為夏季盛行風向。(b)為冬季盛行風向。

圖片來源:www.media.springernature.com/lw785/springer-static/image/prt%3A978-1-4020-3266-0%2F13/MediaObjects/978-1-4020-3266-0_13_Part_Fig16_HTML.jpg

哈雷的聯想與假設

在回到英國後,哈雷從和牛頓自1682年開始交流討論的,各種類型物質的運動狀態與力學原理,得到了靈感,讓他有機會解釋造成地球風向南、北偏移的原因 - 由於空氣粒子在17世紀中葉的力學研究中,已被確認且歸納為具有流動性的物質,所以,空氣的粒子理應會像同為流動性物質的水粒子一樣,被加熱後內部的組成粒子,會有從溫度較高的地方流向較低處的傾向,因此造成直接受熱處的粒子組成變疏鬆,而讓遠離熱源的、分布較密集且低溫的水粒子,有從非垂直於加熱源的方向,流動回近加熱源區的現象。所以,哈雷也聯想到說,空氣粒子可能也會有類似的特性。

最後,哈雷也想到說,地球表面的最大熱源乃源於太陽的照射,而且無論是在哪一個季節,受到太陽照射最久,吸熱最穩定、大量的地方,乃是赤道周邊的低緯度區 - 即北緯30度到南緯30度之間。

圖 地球冬、夏二季,太陽直射地球的位置圖。可以看出無論冬夏季,太陽直射的位置均留在北緯23.5度~南緯23.5度的地方。

圖片來源:www.phyworld.idv.tw/EARTH/BOOK5/CH7/B5_7-2_POINT.htm (有做微調)

圖. 以燒開水來表述的,流動性物質的受熱而流動的示意圖。當水受熱時,傾向往液面上湧;當水冷卻時,傾向往液底下沉而形成對流,而由冷熱決定風向的原因,可能就如同水冷卻後,下沉回加熱源所在的鍋底的機制。

圖片來源:www.ck12.org/physics/convection/lesson/Convection-MS-PS/

哈雷因此假設,決定地球低緯度區的風向向南或北的一大原因,乃是太陽的熱能量,而因為接近赤道區域的空氣受日照加熱,導致赤道地區的空氣上升,形成對流造成北部較冷的空氣往南吹。所以,再加上先前已經知道的,地球向東自轉而引起東風的效應,地球北半球的低緯度區就會吹東北風!

哈雷驗證的方法與結論

哈雷為了證明"吸收陽光照射熱之多寡,也是影響風向的因子",因此,也要在南半球的低緯度區,找到符合以上假設的論述,即:南半球低緯度區的風,應該也不會是只有因為地球自轉而吹東風,而是還會從吸收太陽熱量較少的南方吹往熱量吸收較多接近赤道的北方,造成東南風。

哈雷在整理天文臺團隊內部,由各個船隊的船長所提供之,他們在冬季和夏季會選擇航行的最佳航路後,整理出冬夏兩季全球各區的盛行風向。而分析後發現:在地球南半球,除了少數的海陸交界地區外,確實大多地區的盛行風向,是吹向日照熱量較多赤道區的東南風。

哈雷得出了一個結論 - 全球的盛行風風向,除了會受到地球自轉的影響外,還會受到吸收陽光照射熱的多寡影響!其中,風會從吸收陽光較少的區域吹往吸收陽光較多的區域。因此,北半球的低緯度地區多盛行東北風,南半球的低緯度地區則盛行東南風。

圖 哈雷認為的,在不涉及地球自轉的話,單純太陽照射熱引起的風之吹向。

圖片來源:www.kejian1.cmatc.cn/vod/comet/tropical/textbook_2nd_edition/print_3.htm

哈雷發現的第二個問題

雖然,哈雷已經結合了"風會傾向從受日照熱少的地方,吹向日照熱多的地方"

;並且風向也會"受到地球自轉的影響,因而讓再產生偏移",成功解釋了地球上大多低緯度地區的盛行風向,都是依照這套規律分佈的。然而,哈雷在用這套方法解析全球低緯度地區的風向時,發現居然沒有辦法解釋印度洋北部和東南亞區域等地區,夏日的風會傾向由南至北流動的現象。

印度洋北部和東南亞區域等地區奇怪的地方在於,因為倘若決定地球風向南北向流動傾向的因素,只有空氣傾向流動到日照熱量多的地方;那北半球低緯度地區的風向,必定都是從北至南流動的,所以應該不會有任何地方的風向,會隨著季節變化而改變。

哈雷的聯想與假設

哈雷在緊盯著世界地圖思考著,為何印度洋北部和東南亞區域等地區夏季盛行的風向,居然如此怪異時突然留意到,這些地方的地理共同特性,都是在座落於同緯度,但海洋和陸地面積差不多地交雜分佈的地方,而且都是南部海洋面積較大、而北部陸地面積較大。

圖 印度洋北部的海陸位置分布示意圖。

圖片來源:www.br.pinterest.com/pin/655836764462204900/?amp_client_id=CLIENT_ID(_)&mweb_unauth_id=%7B%7Bdefault.session%7D%7D&simplified=true

想到海洋以及陸地的交錯分佈,哈雷便想到了主要組成陸地的沙土,有著一項特別的性質 - 他聯想到在天文台團隊中,有收藏著利比亞沙漠的氣候資料,其中,沙漠中早晚溫差極大的特性紀錄,令他相當印象深刻,因此他也在閱讀該資料的當下理解到,沙土的升降溫速度是相當迅速的,尤其若受到太陽直接的照射,沙土的升溫速度將是海水所不及的!所以哈雷便認為,陸地上的沙土表面氣溫非常容易上升和下降,或許可以用來解釋少數如印度洋北部、東南亞地區等,海陸交界處之夏季風向,會是傾向由南向北吹的原因。

圖 在接受同樣的熱源下,升溫速度慢的冰水上之空氣,流動向升溫速度快的沙土,產生風之示意圖。

圖片來源:www.scientificamerican.com/article/create-a-sea-breeze/

圖 沙漠早晚溫差示意圖。以撒哈拉沙漠西部地區為例。

圖片來源:www.hikersbay.com/climate/westernsahara?lang=en

哈雷便假設了 - 由於夏季時,北半球低緯度地區都處在被太陽直接加熱的狀況,但是若由於印度洋北部和東南亞地區,南北方的地表組成迥異,而且是南邊以海洋為主、北邊以陸地為主,而且面積相近,這將會造成夏季在同緯度的該地區,接受差不多的日照熱時,陸地會因為較容易升溫而導致溫度比海洋來得高,進而產生風會由海洋組成為主的南方,吹往由陸地組成為主的北方之現象。

圖 七月(夏季時)時,全球地表與海面的日均溫示意圖。

圖片來源:www.chegg.com/homework-help/questions-and-answers/use-maps-sea-level-temperatures-answer-following-questions-figure-1-global-mean-sea-level--q8228535

圖 一月(冬季時)時,全球地表與海面的日均溫示意圖。

圖片來源:www.chegg.com/homework-help/questions-and-answers/use-maps-sea-level-temperatures-answer-following-questions-figure-1-global-mean-sea-level--q8228535

哈雷驗證的方法與結論

依照哈雷對於印度洋北部、東南亞等地區,夏季風向迥異於同緯度的其他地方之假設,那麼,若在受日照供熱量的條件差不多的情況下,有海又有陸地面積參半分布的地方,夏季時風會傾向從海洋吹向陸地,冬季時,則會純粹只受到地球自轉及吸收日照地點在何方而偏轉影響,因此風向就會和其他地區一致。而且,在海邊早晨的風應該會從海吹向陸地。

依照上述的推論邏輯,哈雷重新比對全球低緯度地區的冬、夏季風向,和觀察海邊早晚的風向變化後發現:在海邊的早晨,受到太陽近乎一致的加熱效果下,風的確會從海洋往陸地吹。晚上則又會從陸地吹向海洋。

圖 早晚海邊的海風和陸風流動方向示意圖。

圖片來源:www.britannica.com/science/sea-and-land-breeze

並且,有著和印度洋北部和東南亞地區的海洋、陸地分布狀態,並且同樣位於低緯度區的中國華南地區,也有著到夏日時,風會傾向由南向北吹,並在冬季又回復成傾向從北至南吹的現象。

圖 全球主要的中、低緯度季風區所在位置。

圖片來源:www.kejian1.cmatc.cn/vod/comet/tropical/textbook_2nd_edition/print_3.htm

哈雷因此得到了一項結論 - 若在夏季時受到太陽加熱量都差不多滿多的同緯度地區,有著海陸分布面積是各參半的地理特徵的話,在因為夏日受到一樣強度的太陽熱能量之下,風會傾向從海面向陸地的方向地方吹拂。

哈雷對後世造成的影響

哈雷是歷史上,第一位使用太陽照射供熱時間和熱能量不同,來解釋全球盛行風向分布成因的科學家,並且他也基於他的解釋風向變化的理論,以及地理大發現時期,歐洲航海家們整理出來的風向紀錄,發表了一篇名為<論在熱帶地區歷史上觀測到的信風與季風之成因>(<An historical account of the trade winds, and monsoons, observable in the seas between and near the Tropicks, with an attempt to assign the physical cause of the said winds>),並在文末附上了他所畫的、史上第一張較能準確地描述全球各地盛行風向的世界地圖,因此,協助了當時的航海家縮短他們從歐洲航行到北美、南美洲以及亞洲的時間。

圖 哈雷在1686年發表的〈論在熱帶地區歷史上觀測到的信風與季風之成因〉(<An historical account of the trade winds, and monsoons, observable in the seas between and near the Tropicks, with an attempt to assign the physical cause of the said winds>)一文中,文末所繪有的史上第一張較能準確地描述全球各地盛行風向的世界地圖。

圖片來源: www.lib-dbserver.princeton.edu/visual_materials/maps/websites/thematic-maps/quantitative/meteorology/meteorology.html

不過,哈雷對隨季節而有所變化的,全球四季盛行風向變化理論,並沒有辦法解釋地球南、北半球高緯度地區的盛行風向與氣候成因;甚至,對於印度洋到中國南海一帶的夏季盛行風向東西向偏移的成因,哈雷也只是用"當地因為存有位於印度東北方的高地(即喜馬拉雅山),因此,該地區的陸地離太陽近,升溫更明顯而使得印度洋北部的夏季風傾向吹西南風,並且該地區夏季風的東、西偏向,並不是很穩定",這樣牽強的理由來解釋。因此受到當時英國皇家學會的資深學者沃利斯等人的質疑,甚至哈雷自己晚年時,都對自己的這套理論的正確性有所懷疑。

圖 未受海陸比熱差異影響下,全球盛行風向大致的分布圖。哈雷解釋各地風向成因的理論,並沒有辦法解釋南、北緯30度以上的中、高緯度地區盛行的風向之成因。

圖片來源: <Global Climate Patterns: An Overview of Arctic Oscillation, Pacific Decadal Oscillation, Pacific/North American Pattern, and El Nino Southern Oscillation> by Grossi, M. D., Monim, M. and Gangopadhyay, A.

但是,哈雷的理論,倒是啟發了18世紀同是英國人的同胞哈德利,成功用地區間的氣壓差異解釋了風的成因,以及修正並正確解釋全球盛行風向的理論。