第四章 地球运动的地理意义


地球运动的地理意义分两个方面,首先,地球的自转轴倾斜于其公转的轨道面,它影响太阳辐射能在地面上的分布和变化,从而决定了地球上有四季的递变和五带的区分;其次,地球自转和公转的周期,提供了两个时间的自然单位——日和年,认识和利用它们的周期性规律,人们创造了历日制度和计时制度。

 

第八节  四季和五带

 

 

401  太阳的回归运动

 

§ 401-1太阳回归运动和太阳赤纬的周年变化

地球上之所以有四季递变和五带区分,其根本原因在于黄赤交角,即黄道面对于赤道面的倾斜;而其直接原因则是太阳相对于天赤道的回归运动。

由于黄赤交角的存在,太阳在周年运动的同时,还表现为相对于天赤道的往返运动。具体地说,天球上的太阳,半年在天赤道以北,半年在天赤道以南。这是因为,黄道的一半在天赤道以北,另一半在天赤道以南。太阳的这种运动,是其周年运动的另一个侧面,称为太阳回归运动。它在天球上所能到达的南、北界线,称为南、北回归线。回归运动的周期便是回归年。回归运动、回归线和回归年,是同一事物的三个不同的侧面。

太阳相对于天赤道的回归运动,也表现为太阳直射点对于地球赤道的往返运动:半年直射在北半球,半年直射在南半球;半年向北移动,半年向南移动。地球上的南北回归线的概念,也是相对于太阳回归运动而言的。

地球上昼、夜两半球的分界线叫晨昏圈。这是地球的一个大圆。随着太阳直射点的南北移动,晨昏圈便在南、北极两侧摆动,摆动的幅度也是23°26′。在这个纬度范围内,有极地区域特有的天文现象——极昼和极夜,故南、北纬66°34′的两条纬线,被称为南、北极圈(图4-1)。

太阳回归运动的主要表现,在于太阳赤纬的周年变化。在天文上,我国的二十四气和西方的十二宫,是按太阳的黄经划分的;然而,在地理意义上,它们之间更加重要的区别,在于太阳赤纬的不同。前面说过,天体的周日圈,就是该天体所在的赤纬圈。因此,天体赤纬的变化,意味着它的周日圈的改变。不同赤纬(或周日圈)的天体,有不同的出没时刻(与方位)和中天高度。太阳赤纬的变化,影响各地的昼夜长短和正午太阳高度的大小,二者都是季节变化的主要因素。

太阳的赤纬随其黄经而变化。不同的太阳黄经总是与一定的太阳赤纬相对应,其大小可以解球面三角形方法计算

4-1回归线和极圈

如图4-2,P为天北极,K为黄北极,S为沿黄道运行的太阳,其黄经为λ,赤纬为δ。在△PKS中,

已知三角形的两边及其夹角,求第三边,按球面三角形边的余弦公式有:

cosa=cosbcosc+sinbsinccosA

把上列数值代入余弦公式,即得

cos(90°-δ)= coseCOS90°+ sinesin90°cos(90°-δ)

sinδ=sinesinλ=sin23°26′sinfλ

sinδ= 0. 3977sinλ

sinδ= 0.4sinλ

在该图中,由天赤道、黄道和太阳所在时圈,构成另一个直角球面三角形。已知λ和e,代入球面三角形的正弦公式,同样可得

根据这个公式,人们得以按太阳黄经λ,求知所对应的太阳赤纬δ。按该公式推算,二分二至及四立的太阳赤纬,列表如下:

§401-2太阳回归运动与地球公转

太阳的回归运动及其赤纬的周年变化,是太阳周年运动的一个侧面。太阳周年运动本身,是地球公转的反映,因此,从根本上说,太阳的回归运动,必须用地球的公转和公转轨道来说明。

地球仪的设计者多半把地轴弄成斜的。人们通常以地球“斜着身子”绕太阳运动,来比喻地轴同轨道面的关系,习惯上总是把轨道面当作水平面,而把地轴和赤道面看成斜的。其实,地理上的方向是同地球自转相联系的:南北方向就是地轴和经线的方向,东西方向则是赤道和纬线的方向;同时,地图学上有“上北下南,左西右东”的表示方向的习惯。把这样的方向延伸到宇宙空间,应用于地球公转,那么,地轴应该是直的,赤道面是平的,而轨道面只能斜的(图4-3)。黄赤交角的确切含义,是黄道(轨道)面对于赤道面的倾斜。这里,倾斜的是黄道面,而赤道面只是作为比较标准而存在的。

 

4-3黄赤交角的确切含义是黄道(轨道)面对于赤道面的倾斜。如以地球自转的方向为向东,那么,地球在向东公转的同时,还有其南北的分量,造成太阳直射点的南北移动

大家知道,地球自转方向向东,地球公转方向也向东,但此东与彼东的方向有23°26′的差异。我们把地球自转方向视为正东,那么,地球的轨道运动除向东外,还有其南北的分量。正是这个南北分量,造成地球和太阳的回归运动。

如图4-4所示,在每年的北至日(北半球的夏至日),地球位于其轨道的最南点。这时,从地球上看来,太阳位于黄道上的北至点,因而直射点落在地球的北回归线上。反之,在每年的南至日(北半球的冬至日),地球到达轨道上的最北点,太阳相应地位于黄道上的南至点,因而直射在地球的南回归线。每年的升分和降分日(北半球的春秋二分日),地球位于轨道南北两端的中点。这时,太阳相应地位于黄道上的升分点和降分点,因而直射在地球的赤道上。

4-4地球公转的南北分量造成地球和太阳的回归运动

从每年的南至日到次年的北至日,地球从轨道上的最北点移到最南点,行程约为470 000 000km(轨道周长的一半),两点间的直线距离约 300 000 000km(轨道平均直径),其中有向南分量为 300 000 000km×sin23°26′=120 000 000km。在这期间,太阳在天球上相应地从黄道的南至点移到北至点,其赤纬从-23°26′变为23°26′;太阳直射点从地球上的南回归线移到北回归线。

反之,从每年的北至日到南至日,地球经过相应的行程,从轨道的最南点移到最北点。在此期间,太阳从黄道的北至点移到南至点,赤纬由23°26′减为-23°26′;太阳直射点由北回归线移至南回归线。

总之,太阳相对于天赤道的回归运动,是地球公转的南北分量造成的。

120 000 000km的南北分量,造成太阳赤纬 23°26′×2= 46°52′的变化。这就是说,地球在其轨道的南北方向上,每改变700余km,太阳赤纬就改变1′。按照这个速度,在春秋分前后,太阳赤纬每分钟增减约1″。这时,地球公转的南北分量最大,约为 30×sin23°26′= 12km/s,即 720km/min。

4-5地球轨道运动的南北分量

 

402昼夜长短

 

§402-1昼夜长短概说

在太阳照射下,地球被分为昼夜两个半球:向太阳的半球是昼半球,背太阳的半球是夜半球。昼夜两半球之间的分界线,被叫做晨昏线,是地球的一个大圆。晨昏圈经过的各地,正经历着一天中的清晨或黄昏。那里见到的太阳,正好位于东方或西方的地平上。

地球不仅在空间有昼夜半球之分,而且,由于地球的自转和公转,昼夜两半球在时间上不断地相互交替,使得各个地点时而位于昼半球,因而经历着白昼;时而位于夜半球,因而经历着黑夜。这叫做昼夜交替。昼夜交替的周期,就是通常所谓的1日,叫太阳日,它不同于恒星日。恒星日是单纯的地球自转的周期,而形成太阳日的,不仅是由于地球自转,还包括地球的公转,是二者的会合周期

昼夜的长短,视晨昏圈分割纬线的情况而定。一般情形下,纬线被晨昏圈分割成两部分:位于昼半球的部分叫昼弧;位于夜半球的部分叫夜弧。昼弧和夜弧的弧长,决定该地的昼长和夜长:孤长15°,折合时间1小时。……

各地的昼夜长短,因晨昏圈随太阳直射点的移动而发生变化:

当太阳直射点落在赤道(春秋二分)时,晨昏圈通过两极(与经圈重合),等分所有纬线。因此,全球各地昼夜等长(图4-6)。

北至日,太阳直射点移至北回归线,晨昏圈偏离两极,与南、北极圈相切。这时,昼弧与夜弧的分割最为悬殊。如图4-7所示:北半球(太阳直射的半球)各纬度昼最长而夜最短;南半球相反。北半球的昼长和南半球的夜长,皆随纬度增高而增大。到北极圈内,纬线全线是昼弧,昼长达24小时,“夕阳”连着“朝辉”,终日太阳不落,称为极昼。在南极圈内,纬线全线位于夜半球,24小时漫漫长夜,终日不见太阳,称为极夜。赤道是唯一保持昼夜等长的地方。从几何上说,赤道和晨昏圈都是地球的大圆;两个大圆相交,必相互等分。

4-7北至日,太阳直射北回归线,北半球各地昼最长,夜最短;北极圈内为极昼。南半球情形相反

4-6春秋二分,太阳直射赤道,晨昏线等分所有纬线,全球昼夜平分

南至日(北半球冬至日),太阳直射点移至南回归线。这时,南北两半球的昼夜长短分布情形,与北至日相反(图4—8)。

4—8南至日,太阳直射南回归线,南北两半球的昼夜长短与北至日相反

在天文学上,昼弧和夜弧的大小,是以解球面三角形的方法计算的。在天球上,昼弧和夜弧表现为太阳周日圈被地平圈的分割:周日圈位于地平圈以上的部分是昼弧;地平圈以下的部分是夜弧。具体的计算方法是,求日没时的太阳时角(t),即半昼弧长度;半昼弧的二倍即为昼弧,昼弧的共轭量就是夜弧。

如图4—9所示:Z是所在地的天顶(其赤纬=φ),P为天北极,S是位于西方地平(日没时)的太阳(其赤纬为δ)。从日中到日没的一段弧,即为半昼弧,其大小即为当时的太阳时角(t)。图中的△ZPS,被称为天文三角形。在这个三角形中:

(不计太阳机半径和大气的折光作用)。已知三角形的三边求一内角(t),按球面三角形边的余弦公式有

cos90°=cos(90°-j)cos(90°-δ)+ sin(90°-jsin(90°- δ)cost

4—9解天文三角形求半昼弧长:太阳位于西方地平(日没)时,其时角(t)大小,等于当地(j)当时(δ)的半昼弧(从日中到日没)

sinjsinδ+cosjcosδcost=0

于是有cost=-tgjtgδ式中的j和δ,皆以北半球为正,南半球为负。

这个公式被叫做半昼弧公式。它表明,决定昼夜长短有两个因素:当地的地理纬度j和当时的太阳赤纬δ(即太阳直射点纬度)。前者是空间因素,即地理因素;后者是时间因素,即季节因素。简言之,昼夜长短因纬度而不同,因季节而变化。

该公式的几何意义是十分清晰的。太阳赤纬(δ)的变化,表示其周日圈的改变。不同的周日圈被地平圈分割的情形各异:赤纬愈高,周日圈愈小,昼弧与夜弧的差异就愈大。地理纬度(j)的不同,决定周日围对于地平圈倾角(90°-j)的大小:纬度愈高,周日圈愈倾斜,昼夜长短的变化愈显著(参见图3-18)。

不论昼夜长短的纬度分布或其季节变化,是昼长夜短,还是昼短夜长,都有一个半昼弧t是否>90°的问题。由该公式可知:

——昼夜等长条件: t=90°,则cost=0,这便要求式中等号右侧的j和 δ,必须有一个是零。

j=0°,即在赤道上,不论太阳赤纬δ怎样因季节而变化,那里终年昼夜等长。重复说明一下,赤道和晨昏圈都是地球大圆,因而总是互相等分。这在图4-11的天文三角形中,可以直观地看出:若j=0°,则仰极高度为0°,P(天北极)位于地平圈上的北点。这样,PS与地平圈重合;而地平圈与子午圈正交,因而可知t=90°。

δ=0°,即在春秋二分时,不论地理纬度j如何因地而异,二分时全球昼夜等长。因为这时太阳直射点落在赤道,晨昏圈通过两极,等分所有的纬线。在图4-11的天文三角形中,同样可以直观地看出,若δ=0°,则太阳位于天赤道,日没在西点。这时,PS即为西六时圈;而六时圈与子午圈正交,故t=90°。

——昼长夜短条件:t>90°,则cost<0。要使式中等号右侧保持负号,只有使φ和δ同号。这就是说,太阳直射的半球昼长夜短。同理可知,昼短夜长的条件是φ和δ异号,即非太阳直射半球昼短夜长。

——极昼条件:t=180°,则cost=-1。这便要求jδ不仅同号,而且互为余角,即j=90°-δ。同理,极夜的条件是:t=0°,cosj=1,要求j、δ异号且互余,即j=-(90°-δ)。这就是说,极昼和极夜发生在以南北两极为中心,以当时的太阳赤纬为半径的地球极冠地带,其范围大小视太阳赤纬δ而定。上述j=±(90°-δ)的两条纬线与晨昏圈相切;在天球上,则表现为太阳周日圈与地平圈相切。

402-2昼夜长短的纬度分布

由半昼弧公式可知,昼夜长短因纬度而不同。具体的纬度分布又因季节而变化。但是,下列几条是全年共同的:

——赤道上(φ=0°)全年昼夜等长。

——太阳直射半球,昼长夜短,高纬度(j≥90°-δ)地区有极昼,昼长达24小时。

——非太阳直射半球,昼短夜长,高纬度相应地区有极夜,昼长为零(夜长24小时)。

根据以上三条,除春秋二分外,全球的昼长可分为四个纬度带:极昼地带,昼长夜短地带,昼短夜长地带和极夜地带(图4-10)。其中的极昼和极夜地带是以两极为中心、以太阳赤纬(δ)为

4-10昼夜长短的四个纬度带

半径的地球极冠地带;昼长夜短地带和昼短夜长地带以赤道为界,其宽度都等于(90°-δ),前者与极昼地带为邻,后者与极夜地带毗连。随着太阳赤纬的变化,四个纬度带便发生相应的改变:太阳赤纬为正值(直射北半球)时,全球的昼长向北增加,极昼地带位于北极地区;太阳赤纬为负值(直射南半球)时,情况相反。太阳赤纬的绝对值|δ|愈大,则极昼(夜)地带愈宽。

4-11表示二分二至日的昼长的纬度分布:

——二分日,全球各纬度昼夜等长,均为12小时。

——北至日,北半球各地昼最长,极昼地带最广(北极圈内皆为极昼);南半球各地昼最短,极夜地带最广(南极圈内皆为极夜)。南至日的情形相反。

4-11昼夜长短的纬度分布

§402-3昼夜长短的季节变化

昼夜长短因季节而变化(唯一的例外是赤道,那里终年昼夜等长),具体的变化情形,则因纬度而不同。但是,下列几条是全球各纬度共同的:

——二分时,全球昼夜平分,均为12小时。

——二至时,昼夜长短极端:或昼最长、夜最短;或昼最短而夜最长。

各地全年平均昼长相等,皆为12小时(不计太阳视半径和大气折光作用)。

全球各纬度昼夜长短的季节变化,都以二分二至为界,分全年为四个阶段:

升降二分发生昼长夜短与昼短夜长的交替,极昼和极夜地带,昼长夜短和昼短夜长地带发生南北倒转,并由昼夜平分开始趋向极端。而且,二分前后,太阳赤纬(δ)变化最快,因而这段时间昼夜长短的变化特别明显。

4-12昼夜长短的季节变化

南北二至发生昼减夜增和昼增夜减的交替,上述四个地带发生扩大和缩小的更替,昼(夜)长本身则开始由极端趋向齐平。二至日过后不久,地球分别经过轨道的近日点(1月初)和远日点(7月初),公转速度达到最快和最慢。因此,北半球夏至后昼减夜增的变化,比冬至后昼增夜减的变化显得较为缓慢。故民谚有“夏至十八天,冬至当日回”的夸张说法。

昼夜长短极值出现的时间,南北两半球相反。当北半球昼最长(夜最短)时,南半球则是昼最短(夜最长);北极地区发生极昼时,南极地区则是极夜。

4-12是北半球五个不同纬度的昼夜长短的季节变化。它们的全年平均昼长相等,都是12小时,差异在于变化幅度的大小。在赤道上,昼夜平分,终年不变;纬度愈高,变幅愈大。到极圈,最长的白昼(和黑夜)可达24小时;在北极,昼长的季节变化,表现为极昼与极夜的相互交替,而没有什么渐变过程。

在南北极圈内,都有极昼和极夜。它们的范围大小,随太阳赤纬(δ)而变化。|δ|值愈大,极昼(夜)范围愈广。如图4-13所示:自春分到夏至(δ由0°增为23.°5),北极地区的极昼和南极地区的极夜,都从极点扩大到极圈;自夏至到秋分(δ由23.°5减为0°),则从极圈缩小到极点。冬半年的情形反之。

4-13极昼(夜)区的季节变化

此图表示南北两半球极昼(夜)区的季节性扩大和缩小。图中每个圆面分上下两半,分别表示北极和南极地区。三个同心圆分别表示66°34',69°44'和78°28'的三条纬线。

由此可知,一地的极昼(夜)的持续时间,因距极远近而不同:愈近两极,极昼(夜)期间愈长,从南北极圈的1日,到南北两极增为各约半年。

§402-4昼夜长短的其它因素

前述关于昼夜长短及其纬度分布和季节变化的分析,只考虑太阳赤纬和地理纬度二个因素,因而具有简单的规律性。事实上,影响昼夜长短的,还有其它一些次要因素。它们是:

——太阳视半径:天球上的太阳不是一个光点,而是一个视半径约为16'的光盘。日出和日没是以日轮的上缘出露地平为准的,而此刻日轮中心尚在地平下16'。这就是说,当时视太阳中心的天顶距,不是90°,而是90°16'。

——大气折光作用:地球大气的密度随高度而迅速递减。因此,光在大气中的折射,有“抬升”天体的作用(图4-14);而这种效应本身,又是在近地平时最为明显,其值约34'。因此,当日轮上缘接触地平时,其实际位置尚在地平以下34'。

——眼高差:观测日出(没)时,人眼总有一定的高度。站在高处,能较早看到日出和较晚看到日没。任何时候,高山上的白天要比平地上长一些。

4-14大气折光有“抬升”天体的作用

上述三者之中,眼高差是不确定因素,不反映昼夜长短的一般规律性。因此,具体反映昼夜长短及其分布和变化的,除了太阳赤纬和地理纬度外,是太阳视半径和大气折光。后二者使太阳出没时,视太阳中心的天顶距增加了16'+34'=50',即90 °50',在一定程度上改变了昼夜长短的纬度分布和季节变化的简单规律性:

——上述50'的差值,使昼半球扩大了50',而夜半球相应地缩小了50'。昼夜两半球不再是真正的半球,晨昏圈也不再是真正的大圆。任何日期,极昼地带的范围扩大,极夜地带的范围缩小,二者有50'×2=1°40'的差值。例如,在南北二至日,极昼范围扩至南北纬 66°34'-50'=65°44';而极夜范围缩为南北纬的66°34'+50'=67°24'。

——上述50'的差值,使任何日期和地点的昼长被延长,夜长被缩短。前述的半昼弧公式修正为

cost=

    =tgjtgδ-sin50'socjsecδ

  cost=- tgjtgδ-0.0149 secjsecδ

其中的0.0149secjsecδ,即为这两个次要因素对于cost的订正。据此,赤道上不再是终年昼夜等长,而总是昼长夜短(相差约7分);在其它纬度,昼夜平分的日期,不再出现在二分,而分别出现在春分前和秋分后约三四天。南北极地区,极昼期间被延长,极夜期间被缩短;在南北极圈,极昼时期增长到一个月左右,而极夜消失

§402-5晨昏蒙影

上述的昼和夜,是以日出和日没为交替的。事实上,在日出之前(黎明)和日没以后(黄昏)的一段时间,天空仍然明亮,处于半光明状态。这段时间,既不是真正的白昼,也不是真正的黑夜,是昼夜交替的过渡时期,叫曙暮光。现代天文学称晨昏蒙影,即晨光和昏影的合称。二者的成因相同,都是高空大气对太阳光的反射和散射的结果。

晨光以日出为终止,存在一个晨光始的问题;昏影以日没起始,存在一个昏影终的问题。晨光始和昏影终,都以一定的太阳“低度”为标准。按不同的需要,晨昏蒙影分为三级:民用晨昏蒙影、航海晨昏蒙影和天文晨昏蒙影。它们的晨光始和昏影终的太阳“低度”标准,分别是6°,12°和18°(图4-15)。

——天气晴朗时,日轮中心自地平落入地平下6°的一段时间,曙暮光的强度,对正常的户外活动足够明亮,室内无需照明。这段时间称为民用晨昏蒙影。任何时候,全球约有5%的地方处于这种状态中。

4-15 各级晨昏蒙影的太阳“低度”标准

——当太阳位于地平下6°—12°的期间,户外活动已嫌太暗,室内工作需要照明;天空中的亮星已经显现,但远方的地平线仍清晰可辨。这段时间是航海测星(测定天体的地平高度)最适宜的时机,故称航海晨昏蒙影。

——真正的黑夜来临(或结束),是太阳落入地平下18°时开始的。这时,肉眼可见的最暗淡的星开始显现,天空完全黑暗,天文晨昏蒙影告终。

 

4-16北半球不同纬度冬夏二至的白昼、黑夜和曙暮光时数的近似分配

晨昏蒙影持续的时间,取决于太阳自地平落入地平下18°所需的时间。这段时间的长度,可根据太阳周日圈与地平圈的交角大小(90°-φ)来推算。太阳如垂直落入地平,这段路线最短,曙暮光持续时间也最短;太阳周日圈愈倾斜,曙暮光持续时间便愈长。由此可知,晨昏蒙影的时间,随纬度增高而增长;也略因季节而变化(因为太阳周日圈的大小因季节而不同),二分较短,二至较长。

4-16是冬夏二至时,北半球不同纬度一日内的白昼、黑夜和晨昏蒙影时数的近似分配。夏至日,北纬60°的地方,整夜处于民用晨昏蒙影状态中,前一天的黄昏尚未结束,次日的黎明便接踵而来,通宵达旦,天空不黑。这种高纬度夏季奇特的天象,被称为自夜。事实上,夏至那天,纬度高于48.°5N的地方(66°5—18°),便没有真正的黑夜。南北两极地区冬季漫长的极夜,大部分时间是白夜。那里的真正黑夜,每年只有两个月左右。

 

403太阳高度

 

§ 403—1太阳高度概说

太阳高度,是指太阳对于地平的高度角。它在很大程度上决定地面获得太阳热能的多少。烈日“当空”、太阳高度大的时候,同样的太阳光束,照射在范围较小的地面上(图4-17),并且,这时太阳光透过大气的路程较短,被大气吸收和散射程度较小。所以,地面上单位面积获得的热量就较多。

 

4-17太阳高度与辐射强度

对于一个地点来说,太阳位于天顶(并非所有的纬度都能达到)的时候,它的高度最大(90°);太阳出没的时候,其高度为0°。从全球范围来说,在太阳直射点上,太阳高度是90°;从这里开始,太阳高度向四周降低,作同心圆分布;到晨昏圈上,太阳高度为0°。

在天文学上,太阳高度用解天文三角形的方法计算。其大小决定于如下三个因素;当地的地理纬度φ(这是地理分布因素),当日的太阳赤纬δ(这是季节变化因素)和当时的太阳时角t(这是周日变化因素)。如图4-18所示:Z为所在地天顶,P为天北极,S是当时太阳的位置。在△ZPS中,

t为当时的太阳时角。已知三角形的两边及其夹角,求第三边(90°一h),可代余弦公式:

cos(90°- h)=cos(90°-j)cos(90°- δ)+ sin(90°-j)sin(90°- δ)cost化简后得:

sinh= sinjsinδ+ cosjcosδcost上式就是求任意时刻太阳高度的三角公式。

在一日内,太阳以不同的高度照射地面。从早晨日出到傍晚日落,太阳高度先是由小变大,然后是由大变小;正午时刻,太阳中天,这时它升得最高,称为正午太阳高度。对于地球上的四季和五带的形成来说,昼夜长短和正午太阳高度是两个主要的因素:前者影响日照时间的长短;后者则决定辐射强度的大小。气候(climate)一词的希腊语原义为“倾斜”,指的就是正午太阳高度。

体现太阳高度在一日内的变化,是太阳的时角t。正午时刻,太阳中天,其时角t=0°,则cost=1。消除了周日变化因素,使推算正午太阳高度(H)的三角公式,变得更为简单,它仅与j和δ有关:

sinH=sinjsinδ+ cosjcosδ按复合角公式则有:

sinH=cos(j-δ)=sin[90°-(j-δ)]

于是便有

H=90°j+ δ

上式就是正午太阳高度公式。它表明,正午太阳高度因纬度(j)而不同,随季节(δ)而变化。公式中的(90°-j),可视为上点高度,因此,不再考虑j的南北半球差异,都看作正值;δ则有正负之分,以太阳直射半球为正,非直射半球为负。图4-18太阳高度推算在天文三角形中(图4-18)可以直观地看出,当太阳中天时(t=0°),Z、P、S三点都在午圈上,不再组成天文三角形。这时的太阳高度(H)由(90°-j)和δ相加。若δ为负值,则H=(90°-j)-δ。

使用这个公式时须往意:北半球的正午太阳高度,以南点为起点;南半球则以北点为起点。因此,计算结果容许出现H>90°和H<0°的情形。

由该公式可知

——当j=δ时,H=90°。太阳直射点所在的纬度,正午太阳当顶。此地此刻,地面上一切矗立的物体,都会有形而无影;说得更确切一点,物体的阴影正好在它们“脚下”(图4-19)。太阳赤纬(δ)变化于±23°26'之间,因此,地球上只有南北回归线之间的地带,才有可能达到90°的正午太阳高度。

——当δ>j时,H>90°。这意味着该地(北半球)正午太阳已越过天顶向北倾斜。若以北点起算,其真正地平高度应为:H=180°-(90°-j+δ)。这种情况也只限于南北回归线地带(不包括南北回归线),其它纬度不会有δ>j的情况。

4-19 太阳直射地方,正午太阳当顶,地面上的物体都会投出奇怪的阴影

——高纬度冬季,在δ〉90°-δ的地方,H<0°。它表示,那里正经历着极夜。

按正午太阳高度公式: H=(90°-j)+ δ的图解,容易推出夜半太阳“低度”( H'):

H'=-(90°-j)+ δ=j+ δ- 90°式中的-(90°-j)即为下点(Q')低度。

根据这个公式,只要把晨光始(或昏影终)的太阳“低度”标准(-18°)和δ的极大值(23.5°)代入上式,便得白夜的纬度界限。即

18°=j+23.5°-90°

于是有:j=90°-23.5°-18°=48.5°。我国黑龙江省的漠河(j=53.°5N),素有“中国的北极”之称,那里在夏至前后,也有白夜景色。

4-20  正午太阳高度的因素:当地纬度φ和太阳直射点纬度δ(非直射半球为负)

在中学地理教学中,正午太阳高度的推算,被视为教学中的难点。中学教科书不涉及太阳赤纬的概念,代之以太阳直射点的纬度。如图4-20所示:

a)太阳直射赤道(δ=0°)时,各地的正午太阳高度,等于当地的余纬。即

H=90°-j

b)太阳直射点纬度小于当地纬度,即δ<j,该纬度的正午太阳高度为

H= 90°-(j-δ)= 90°-j+ δ因 δ<j,故 H<90°。

C)太阳直射点纬度超过当地纬度,即δ>φ,该纬度的正午太阳高度便为

H= 90°+(δ-j)= 90°-j+δ因δ>j,故H>90°。

d)太阳直射南半球(δ为负值)时,北半球各纬度的正午太阳高度为

H= 90°-(φ+δ)= 90°-φ-δ

§403-2正午太阳高度的纬度分布

正午太阳高度因纬度而不同。具体的纬度差异,则随季节而变化。概括地说,太阳直射的纬度,正午太阳高度最大,H=90°,由此向南北随纬度递减:两地的纬度差,就是它们的正午太阳高度差。

在说明正午太阳高度的纬度分布时,正午太阳高度的公式,可改写为如下形式:

H=(90°+δ)-j式中的(90°+ δ)可看作赤道上不同季节的正午太阳高度,其它各地随纬度递减,j是对(90°+ δ)的纬度订正。

4-21是二分二至日正午太阳高度的纬度分布。它们都呈线性分布。

4-21正午太阳高度的纬度分布

图中用线条表示二分二至的正午太阳高度的纬度分布。各地的正午太阳高度差,就是它们的纬度差。因此,这些线条都是呈45°坡度的直线。春秋二分,正午大阳高度以赤道为中心,南北对称;冬夏二至,分别以南北回归线为中心,南北对称。

——二分时,δ=0°。各地的正午太阳高度都等于当地的余纬,即H=90°-j。赤道最高,H=90°;至两极递减为0°。

——北至时, δ= 23°26'。北半球各地的正午太阳高度H=(90°+ 23°26')-j;南半球各地则 H=(90°- 23°26')-j。这时,北回归线的正午太阳高度最大, H=90°,由此向南、北两个方向递减;至北极和南极,H分别为23°26'和-23°26'。

——南至时,δ=-23°26'北半球各地H=66°34'-j,南半球各地H=113°26'-j。这时,南回归线H=90°,向南北递减,至北极和南极,H分别为-23°26'和23°26'。

§403-3正午太阳高度的季节变化

正午太阳高度因季节而变化。具体的季节差异,则因纬度而不同。在说明正午太阳高度的季节变化时,正午太阳高度公式,可改为如下形式:

H=(90°-j)+ δ

式中的(90°-j)可看作二分时的正午太阳高度,即全年的平均值;δ是对(90°-j)的季节订正。各自半球的夏半年取正值,冬半年为负值。

4-22表示北半球不同纬度的正午太阳高度的季节变化。如果它们都以南点起算,容许H>90°的值。那么,这些变化在图上表现为一系列的平行直线:

——在赤道,j=0°, H=90°± 23°26',即那里的正午太阳高度变化于113°26'—66°33'之间(实即66°34'——90°——66°34')。

4-22正午太阳高度的季节变化

以北半球为例,线条表示不同纬度的正午太阳高度的季节变化。这些线条互相平行,表示它们的变化幅度相同,都是 23°26'×2=46°52'。

——在北回归线,j=23°26', H=66°34'± 23°26',那里的正午太阳高度,最高可达 90°,最低不小于43°08'。

——在北极圈,=66°34',H=23°26'±23°26'那里的正午太阳高度,最高不超过46°52',最低时为0°。

——在北极,j=90°,H=0°±23°26',变化于23°26'—-23°26'之间。

上列数据,可用图4-23表示如下:

4-23不同纬度的正午太阳高度的季节变化

——在赤道,正午太阳往来于天顶南北23°26';平均在天顶。

——在南北回归线,正午太阳终年在天顶以南(北);最高时在天顶。

——在南北极圈,正午太阳终年在地平以上;最低时在地平。

——在南北两极,正午太阳升落在地平上下23°26';平均在地平。

 

404地球上的四季

 

§404-1四季概说

由于黄赤交角的存在和太阳的回归运动,造成地球上各地昼夜长短和正午太阳高度的变化,一年分成春夏秋冬四季。但是,严格地说,只有中纬度地带才是四季分明的。因此,对全球来说,不如笼统地说季节变化更确切一些。概括地说,季节变化具有如下两方面的性质:

——季节变化是半球性现象。南北两半球没有同时来临的同一季节,而总是彼此相反:当北半球夏季时,南半球为冬季;北半球春季时,南半球是秋季。这是因为,影响季节变化的两个主要因素——昼夜长短和正午太阳高度是半球性的。这两个因素影响地球所得太阳热量在南北半球之间的分配。太阳直射的半球,昼长夜短,正午太阳高度较大,太阳热量集中,是夏季;非太阳直射的半球是冬季。任何时候,太阳只能直射在一个半球;两半球的太阳赤纬总是正负相反。

除了半球性因素外,季节变化也有它的全球性因素,这就是日地距离的变化。这个因素决定全球所得太阳辐射热能的总量。地球距离太阳较近的半年,太阳赋予地球的热量较多,是全球共同的夏半年;反之,地球距离太阳较远的半年,是南北半球共同的冬半年。

4-24日地距离与冬夏季节

两种性质迥异的因素,产生两种不同的季节:半球性季节和全球性季节。比较起来,后者的影响是十分微小的。

地球轨道具有“近圆性”,因此,日地距离的变化不大。具体地说,日地距离变化于 152 100000km(远日点)与147000 000km(近日点)之间,两者约成100: 97。我们知道,光源的辐射强度与它的距离平方成反比。因此,全球所得太阳热能总量的极大值与极小值之比,应是(100)2:(97)2,即约成100:93.5,二者的差值为6.5%。与半球性因素相比,由于太阳直射点的南北移动,南北两半球各自所得太阳辐射,就其对全球所占的百分比来说,则变动于70%—30%之间,即成100:43,其差值达57%。因此,半球性因素是季节变化的主要因素;日地距离的变化,不能改变太阳赤纬变化所造成的冬夏季节(图4-24)。

4-25季节的天文因素:昼夜长短和正午太阳高度的变化

——季节变化首先是天文现象,然后是气候现象。这里所要说的是作为天文现象的季节变化。地球所得太阳热量在南北半球之间的分配,决定于太阳直射的纬度。具体地说,天文季节的因素是昼夜长短和正午太阳高度(图4-25)。太阳直射北半球时,北半球昼长夜短,正午太阳偏高,太阳热量分配侧重在北半球。这时,北半球是夏季半年,南半球是冬半年。太阳直射南半球时,北半球昼短夜长,正午太阳高度低,太阳热量分配侧重在南半球。于是,北半球是冬半年,南半球是夏半年。如果太阳始终直射在赤道,全球各地昼夜等长,正午太阳高度不变,南北半球获得太阳热量始终不变,也就无所谓半球性的季节变化了。

§ 404- 2太阳直射点移动和四季的递变

太阳在天球上的回归运动,在地球上表现为太阳直射点的南北移动。它的移动方向,决定南北两半球的正午太阳高度和昼夜长短的消长。为了说明这种变化,有必要以二分二至为界,把全年分成四个阶段,从以下三个方面进行考察,它们各具有不同的天文含义:

——太阳直射点在南、北半球之间的移动:从升分(北半球春分,下同)经北至(北半球夏至,下同)到降分(北半球秋分,下同),太阳直射点移动在北半球。在这期间,北半球昼长夜短,北极地区有极昼,北回归线以北的正午太阳高度大于全年平均值,是北半球的夏半年;南半球昼短夜长,南极地区有极夜,南回归线以南的正午太阳高度小于全年平均值,是冬半年。从降分经南至(北半球冬至,下同)至次年升分,太阳直射点移到南半球,是北半球的冬半年和南半球的夏半年。在此期间,南北半球的昼夜长短,极昼极夜和正午太阳高度,都与上述情形相反。此后,太阳直射点又由南半球移至北半球,两半球的冬夏半年又相互代替。

——太阳直射点向北或向南移动:从南至经升分到北至,太阳直射点向北移动。在此期间,北半球白昼由短变长,极夜地区缩小(继而极昼地区不断扩大),北回归线以北正午太阳高度持续增大;南半球白昼由长变短,极昼地区缩小(继而极夜地区不断扩大),南回归线以南正午太阳高度持续减低。从北至经降分到南至,太阳直射点向南移动。在此期间,南北两半球的昼夜长短、极昼极夜和正午太阳高度的变化,同上述情形相反。此后,太阳直射点又转为向北移动,两半球的昼夜长短和正午太阳高度的变化又相互倒转。

——太阳直射点向赤道或向回归线移动:从北至到降分,或从南至到升分,太阳直射点都向赤道移动,即向低纬度方向移动。在此期间,全球各地的昼长和正午太阳高度都趋向齐平(全年平均值):昼长趋近12时,正午太阳高度趋近90°-φ;极昼和极夜地区都在缩小。从升分到北至,或从降分到南至,太阳直射点向回归线移动,即向高纬度方向移动。在此期间,不论南北半球,昼夜长短和正午太阳高度都趋向极值(极大或极小),极昼和极夜地区都在扩大。

南北回归线之间的纬度带,正午太阳高度每年有两次极大值和极小值,因而同上述情形有所迥异。

§ 404- 3四季的划分

四季的划分,我国与西方有所不同。我国的四季划分方法,强调季节的天文特征:夏季是一年中白昼最长,正午太阳最高的季节;冬季是一年中白昼最短,正午太阳最低的季节;春秋两季,昼夜均匀,正午太阳高度适中,是冬夏之间的过渡季节。具体地说,它以二十四气中的“四立”(立春、立夏、立秋和立冬)为四季的起止,而以二分二至为四仲(图4-26)。

春季:立春为起点,春分为中点,立夏为终点;

夏季:立夏为起点,夏至为中点,立秋为终点;

秋季:立秋为起点,秋分为中点,立冬为终点;

冬季:立冬为起点,冬至为中点,立春为终点。

这样的四季,具有明显的天文意义,但与实际的气候情况不符。例如,立春和立秋,是春秋二季的开始,而在气候上仍是隆冬和盛夏;夏至和冬至,是夏季和冬季的中点,可是在气候上,它们并非一年中最热和最冷的时候。

二十四气是我国劳动人民长期进行天文、气象和物候观测的经验总结,是我国古代的一项伟大科学成就。它的划分兼具天文季节和气候季节的特点。它的二分二至和四立(合称八节),表达的是天文季节;而雨水、惊蛰、清明、谷雨、小满、芒种、小暑、大暑、处暑、白露、霜降、小雪、大雪、小寒和大寒等气,则明显地表示气候和农事季节。其中的大暑和大寒,分别表示一年中最热和最冷的季节。大暑是夏至后第二气,即夏至后一个月,大体与传统的“三伏”中的中伏相当;大寒是冬至后第二气,即冬至后一个月,同传统的“三九”相近。故民谚有“冷在三九,热在中伏”。天文季节和气候季节,区别明显,结合紧密。

西方的四季划分,较多地侧重于气候方面。它把二分二至看作四季的起点。这样的四季比我国的天文四季各推迟一个半月。例如,从立春至春分的一个半月,在我国属春季的前半部分,而在西方却是冬季的后半部分。

无论是我国的四季,还是西方的四季,都是按二分二至划分的,它们都有确切的天文含义。两种划分方法本身都是天文上的,因而都不可能全面地考虑气候的特点。按天文上的定义,一年分成大致相等的四个季节;同一季节,在不同纬度都有同样的始终。而在气候上,春夏秋冬四季,不一定是长短相等的;同一季节,在不同纬度也会有不同的始终。

要使春夏秋冬四季反映地面上的气候条件,必须采用气候本身的标准来划分四季。气候学上通常以侯平均温度(每5日的平均气温)作为季节的划分标准:候温高于22℃的时期为夏季,低于10℃为冬季,介于二者之间的为春季和秋季。这样,各地的春夏秋冬四季,都有共同的温度标准。但是,同一地点,四季必然长短不一;不同地点,同一季节并非同时始终。而且,并非到处都有四季。

4-26四季的划分

 

405地球上的五带

 

§405-1五带概说

地球上的热带、南北温带和南北寒带,总称五带。概括地说,五带的性质有如下三条:

——五带是季节地带。地球上到处都有季节。但是,具体的季节因地而异。地球上没有全球统一的夏季和冬季,也就没有统一的季节变化。如果把全球按季节变化的不同,分成五个地带,使每一地带在季节变化方面具有一定的特点,这就是这里所说的五带。这些特点是一个地带的共性;对于不同地带说来,是个别地带的个性。

——五带是天文地带。季节变化主要有两个方面:天文方面和气候方面。前者就是昼夜长短和正午太阳高度的季节变化;后者主要是气温高低的变化。这里说的五带,完全根据它们的天文特点,是天文地带。天文地带的划分,有两个具体标准,即有没有直射的太阳光和有没有极昼(夏季)和极夜(冬季)现象。总之,天文地带强调太阳的光照情况。

——五带是纬度地带。昼夜长短和正午太阳高度的分布和变化,都因纬度而不同。因此,按照昼夜长短和正午太阳高度划分五带,就是按纬度划分五带。这种划分,不考虑海陆影响,也不考虑大陆东岸和西岸,高山和平原的差异,甚至也不考虑实际气温的高低、雨量多寡以及盛行风向的差异。

总之,五带的划分,以纬度为唯一标准,即以正午太阳高度和昼夜长短为标准。这样,每一个地带有一定的纬度范围,因而有一定的昼夜长短和正午太阳高度的季节变化的范围;相邻两个地带,以特定的纬线为界线。

§405-2五带的划分

地球上的五带,是根据天文现象的纬度差异划分的。首先,正午太阳高度的季节变化有其纬度差异,其中最突出的是有无直射阳光。划分有无直射阳光的纬度界线,就是南、北回归线。它们是热带和南北温带的天文界线。在南、北回归线之间的地带,每年有二次太阳直射;在回归线上,每年有一次直射。回归线以外的地带,没有太阳直射。

其次,昼夜长短的季节变化,有其纬度差异,其中最突出的是有无极昼和极夜。划分有无极昼(夜)的纬度界线,就是南、北极圈。南北极圈是温带和寒带的天文界线。从赤道到南北极圈地带,没有极昼(夜)现象;在南北极圈上,每年各有一天极昼和极夜。从南、北极圈分别到南极和北极,夏季有极昼,冬季有极夜。

有了南、北回归线和南、北极圈这四条纬线作为天文地带的界线,全球就分成五个纬度带:热带,南、北温带和南、北寒带。热带是跨赤道的唯一有太阳直射的纬度带;南、北寒带是南、北半球各自唯一的有极昼和极夜的纬度带;南、北温带则是南、北半球从热带到南寒带和北寒带的过渡地带,即既没有太阳直射,又没有极昼和极夜的地带。

热带虽跨赤道南北,但不分南、北热带。南、北温带和南、北寒带,具有共同的天文特征。但是,出现这种天文特征的时间相反。例如,当北温带昼长夜短、北寒带出现极昼的时候,南温带则是昼短夜长、南寒带出现极夜。

4-27五带的划分

§ 405-3五带分论

根据五带之间的天文界线,热带、温带和寒带,各有自己的具体的天文特征:

——热带是宽度为23°26'×2=46°52'的低纬地带。它的面积在全球总面积中占39.8%。在正午太阳高度的季节变化方面,它有两次极大和极小值:两次极大值都是90°;两次极小值都不小于43°8'。这些数值在全球五带之中都是最大的。因此,那里得到最强的太阳辐射,因而被称为热带。由于正午太阳高度每年有两次极大和极小值,那里的季节变化无法用现成的春夏秋冬来表示。昼夜长短的季节变化幅度很小,白昼不会长于13时25分,也不会短于10时35分。

在热带内部,天文现象的纬度差异虽小,但还是显著地存在着。就正午太阳高度而言:在赤道,一年两次的太阳直射,出现在春秋二分。随着纬度的增高,北半球的两次太阳直射,逐渐向北至日(6月22日)接近;南半球则向南至日(12月 22日)接近。到南北回归线上,合二而一,分别出现在南至日和北至日。就昼夜长短而言,赤道上终年昼夜等长。在南、北纬4°25'以内,昼夜长短的季节变化,不超过半小时;在南北纬8°24'以内,变幅不超过1小时。但到南北回归线上,白昼的长短,相差可达2小时50分。

4-28热带、温带和寒带的面积

——南、北温带是五带中两个宽度最大和面积最广的纬度带。它们各跨纬度43’08’2面积占全球总面积的51.9%。在这两个纬度带内,最高和最低的正午太阳高度,最长和最短的白昼时数,都是一年一度的。正午太阳高度的变化幅度,都是 23°26'×2= 46°52'。但是,由于正午太阳高度的极大值,都随纬度的增加而降低,同样的变化幅度,在不同的纬度具有不同的物理意义和气候意义。在这两个纬度带内,昼夜长短变化的幅度,随纬度的增加而显著地扩大。在南北回归线上,最长和最短的昼长,相差只是2时50分;到南北极圈,就出现极昼和极夜了。

——南、北寒带是两个圆形的高纬地带。它们的半径都是 23°26'。在五带之中,它们的面积是最小的,仅占地球总面积的8.3%。它们的天文特征,一方面是极昼极夜现象;另一方面是太阳高度很低。夏季的极昼和冬季的极夜,是整个纬度带的共同特征。但是,极昼和极夜的日数随纬度增高而增加:在南、北极圈,极昼极夜全年各有一天;在南、北纬75°,每年各100天;到南、北两极,每年各为六个月。极昼期间,尽管终日太阳不落,其高度始终很低。在北至日,北极的太阳终日在地平以上 23°26'兜圈子。它们之所以成为寒带,原因就在于太阳高度太低,因为全年的平均昼长,全球是一致的。

复习与思考

●什么时侯太阳赤经的变化最快?太阳赤纬呢?

●按半昼弧公式:cost=-tgφ·tgδ,回答下列问题:

①公式中的t指什么?

②昼夜等长的条件是什么?

③昼长夜短和昼短夜长的条件是什么?

④极昼和极夜的条件是什么?

●根据昼夜长短的纬度分布规律,按“五·一”节的昼长,将下列各地排列序次(从长到短):北京(40°N)、上海(31°N)、哈尔滨(45°N)、新加坡(1°N)、雅加达(1°S)、墨尔本(37°S)和开普敦(34°S)。

●根据昼夜长短的季节变化规律,把各月1日按北京的昼长排列序次(从长到短):1/1,1/2,…,1/12。

●按正午太阳高度公式:H=90°-φ+δ,回答下列问题:

①式中的“90”-φ”可理解为什么?

②在何种条件下,正午太阳当顶?在何种条件下,正午太阳高度为零?

③6月22日,北极圈上的正午太阳高度多大?列式推算之。

④这时,南半球与之相应正午太阳高度的纬度是多少?

⑤在30°N地方,测得正午太阳高度H=36°34',问:这次观测是在何日进行的?

●9月23日,一根竖直的杆子,在正午时的影长与杆高恰好相等,试确定该地的地理纬度。

●黑龙江省的漠河(φ= 53. 5°N),素有“中国的北极”之称。问:

①该地6月22日正午太阳高度多大?

②夜半太阳“低度”呢?是否有白夜,为什么?

●每逢新年来临之日(元旦),太阳的位置及行踪如何?

①是日太阳黄经约为多少?

②太阳直射在哪个半球?

③太阳直射点向北还是向南移动?

④太阳直射点向赤道还是向高纬移动?

●什么是季节的半球性因素和全球性因素?为什么地球在轨道上接近近日点的时候,我们这里却是寒冷的冬季?

●若地球自转轴垂直于其轨道平面,将如何影响地球上各地的昼夜长短和四季变化?

●若地球轨道的偏心率(e)增大到0.5,四季情形将变得怎样?

●如果黄赤交角增大为45°,这时,“五带”会有怎样的变化?

 

 

 

 



  球面三角形及其余弦公式和正弦公式,参见附录四。95 4—2解球面三角形,由太阳黄经(A)求知太阳赤纬(6
  地理教科书上通常有一个习惯说法:地球自转形成昼夜交替;地球公转造成季节变化。严格地说,这样的说法是不确切的。自转是否能形成昼夜交替,以及昼夜多长?还与公转周期有关。若是同步自转(如同月球绕转地球那样),那就没有昼夜交替。水星和金星的自转周期分别为 58·6日和 243日;它们的公转周期分别是 88日和 225日。在这种情形下,水星的一昼夜长达 176日,金星的昼夜是 117 日,与它们的自转周期大不一样。公转同样能形成昼夜交替。如果地球没有自转,只有单一的公转,在那种条件下,一昼夜就是一年。再说,季节变化也并非单纯是地球公转的结果。如果没有地球自转轴对于公转轨道面的倾斜,地球公转本身不会引起季节变化。总之,昼夜交替和季节变化,都是地球自转和公转的共同结果。
参见附录三
中学生常会提出这样的问题:为什么地球距太阳近时(1月初过近日点),我们这里却是严寒的冬季?按距日远近是季节变化的全球性因素,而起决定作用的是半球性因素。尽管过近日点时,全球接受的热量较多,但较多的热最大部分集中在南半球。北半球这时昼短夜长,正午太阳高度小,是冬季。