地球运动的地理意义

地球运动的地理意义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。

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。

sinδ=sinεsinλ=sin23°26′sinλsinδ＝0. 3977sinλ或sinδ＝0.4sinλ§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。

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。

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。

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。

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。

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

若φ＝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φ＝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°。

若δ＝0°，即在春秋二分时，不论地理纬度φ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φ和δ不仅同号，而且互为余角，即φ＝90°－δ。

同理，极夜的条件是：t ＝0°，cosφ＝1，要求φ、δ异号且互余，即φ＝－（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φ＝±（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（φ≥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。

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。

§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。

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。

§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。

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＇。