第四章 地球运动的地理意义

地球运动的地理意义:
① 地球的自转轴倾斜于其公转的轨道面 → 太阳辐射能在地面上的分布和变化 → 四季的递变、五带的区分
② 地球自转和公转的周期 → 两个时间的自然单位：日、年 → 历日制度、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

四季递变、五带区分：
根本原因：黄赤交角
直接原因：太阳相对于天赤道的回归运动

回归运动：天球上的太阳，半年在天赤道以北，半年在天赤道以南
南、北回归线：太阳在天球上所能到达的南、北界线
回归年：回归运动的周期

太阳相对于天赤道的回归运动 ⇔ 太阳直射点相对于地球赤道的往返运动
半年在天赤道以北 ⇔ 半年直射在北半球
半年在天赤道以南 ⇔ 半年直射在南半球

晨昏圈
太阳直射点的南北移动 → 晨昏圈在南、北极两侧摆动（摆动的幅度：23°26′）
极昼、极夜
北极圈：北纬66°34′
南极圈：南纬66°34′

太阳回归运动：太阳赤纬的周年变化
天体赤纬的变化 → 周日圈的改变 → 不同的出没时刻（与方位）、中天高度
太阳赤纬的变化 → 昼夜长短、正午太阳高度的大小

太阳黄经 ↔ 太阳赤纬：
λ：太阳黄经、δ：太阳赤纬、ε = 23°26′（黄赤交角）

401-2 太阳回归运动与地球公转

地轴和经线的方向：南北方向
赤道和纬线的方向：东西方向

地轴：直的
赤道面：平的
轨道面：斜的

黄赤交角：黄道（轨道）面对于赤道面的倾斜

	北半球	地球（轨道）	太阳（黄道）	直射点（地球）
升分日	春分日	中点	升分点	赤道
北至日	夏至日	最南点	北至点	北回归线
降分日	秋分日	中点	降分点	赤道
南至日	冬至日	最北点	南至点	南回归线

轨道周长的一半：约470 000 000 km
轨道平均直径：约300 000 000 km
南北分量：约120 000 000 km

地球公转的南北分量 → 太阳相对于天赤道的回归运动
南北分量：120 000 000 km → 太阳赤纬的变化：23°26′ ×\times× 2 = 46°52′
南北方向：改变700余km → 太阳赤纬：改变1′

402 昼夜长短

402-1 昼夜长短概说

昼半球、夜半球
晨昏线：清晨、黄昏
昼夜交替的周期：1 太阳日
昼弧、夜弧

	太阳直射点	北半球	南半球	北极圈	南极圈
春秋二分	赤道	昼夜等长	昼夜等长	昼夜等长	昼夜等长
北至日	北回归线	昼最长，夜最短	昼最短，夜最长	极昼	极夜
南至日	南回归线	昼最短，夜最长	昼最长，夜最短	极夜	极昼

半昼弧公式：cost = - tgφ tgδ
φ：当地的地理纬度（空间因素 / 地理因素）
δ：当时的太阳赤纬（太阳直射点纬度）（时间因素 / 季节因素）

赤纬↑，周日圈↓，昼弧与夜弧的差异↑

	t	cost	条件
昼夜等长	90°	0	① φ = 0°：赤道 ② δ = 0°：春秋二分
昼长夜短	> 90°	< 0	φ和δ同号：太阳直射半球
昼短夜长	< 90°	> 0	φ和δ异号：非太阳直射半球
极昼	180°	-1	φ和δ同号且互余：φ = 90° - δ
极夜	0°	1	φ和δ异号且互余：φ = - (90° - δ)

402-2 昼夜长短的纬度分布

① 赤道（φ = 0°）：全年昼夜等长
② 太阳直射半球：昼长夜短 → 高纬度地区：极昼
③ 非太阳直射半球：昼短夜长 → 高纬度地区：极夜
高纬度地区：φ ≥ 90° - δ

除春秋二分外：

纬度带	宽度
极昼地带	δ
昼长夜短地带	90° - δ
昼短夜长地带	90° - δ
极夜地带	δ

	北半球	南半球
二分日	昼夜等长	昼夜等长
北至日	昼最长，夜最短（极昼地带最广）	昼最短，夜最长（极夜地带最广）
南至日	昼最短，夜最长（极夜地带最广）	昼最长，夜最短（极昼地带最广）

402-3 昼夜长短的季节变化

全球各纬度共同：
① 二分时：昼夜平分（12小时）
② 二至时：昼夜长短极端（昼最长、夜最短 / 昼最短、夜最长）
③ 全年平均昼长：12小时（不计太阳视半径和大气折光作用）

升降二分：
① 昼长夜短与昼短夜长的交替
② 极昼和极夜地带、昼长夜短和昼短夜长地带发生南北倒转
③ 由昼夜平分开始趋向极端
④ 太阳赤纬（δ）变化最快 → 昼夜长短的变化特别明显

南北二至：
① 昼减夜增和昼增夜减的交替
② 四个地带发生扩大和缩小的更替
③ 昼（夜）长：开始由极端趋向齐平
④ 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） → 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

距极远近 → 极昼（夜）的持续时间
愈近两极 → 极昼（夜）期间愈长
南北极圈 → 1日
南北两极 → 约半年

402-4 昼夜长短的其它因素

影响昼夜长短的其它一些次要因素：

① 太阳视半径
天球上的太阳：视半径约为16′的光盘
日出和日没：以日轮的上缘出露地平为准（此刻日轮中心尚在地平下16′，视太阳中心的天顶距：90°16′）

② 大气折光作用
高度↑，地球大气的密度↓ → 光在大气中折射 → “抬升”天体（在近地平时最为明显：约34′）
当日轮上缘接触地平时，其实际位置尚在地平以下34′。

③ 限高差
站在高处 → 较早看到日出、较晚看到日没
任何时候，高山上的白天比地平上长一些。

太阳视半径和大气折光
→ 太阳出没时，视太阳中心的天顶距增加了16′ + 34′ = 50′
① → 昼半球扩大了50′，夜半球缩小了50′
→ 昼夜半球不再是真正的半球，晨昏圈不再是真正的大圆
→ 任何时候，极昼地带的范围扩大，极夜地带的范围缩小，二者有50′ ×\times× 2 = 1°40′的差值
例如：南北二至日：极昼范围扩至南北纬66°34′ - 50′ = 65°44′；极夜范围缩为南北纬66°34′ + 50′ = 67°24′
② → 半昼弧公式修正为 cost = - tgφ tgδ - 0.0149 secφ secδ
→ i. 赤道：不再是终年昼夜等长，而总是昼长夜短（相差约7分）
→ ii. 其他纬度：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
→ iii. 南北地地区：极昼期间被延长，极夜期间被缩短
→ iv. 南北极圈：极昼时期增长到一个月左右，极夜消失

402-5 晨昏蒙影

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。
→ 曙暮光：昼夜交替的过渡时期
→ 现代天文学称：晨昏蒙影（晨光和昏影的合称）
成因：高空大气对太阳光的反射和散射的结果

	起始	终止
晨光	晨光始	晨光终（日出）
昏影	昏影始（日没）	昏影终

晨光始和昏影终的标准：太阳“低度”

	民用晨昏蒙影	航海晨昏蒙影	天文晨昏蒙影
晨光始	6°	12°	18°
昏影终	6°	12°	18°

晨昏蒙影	日轮中心	描述
民用晨昏蒙影	地平下0°-6°	曙暮光的强度，对正常的户外活动足够明亮，室内无需照明
航海晨昏蒙影	地平下6°-12°	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，远方的地平线仍清晰可辨 航海测星（测定天体的地平高度）最适宜的时机
天文晨昏蒙影	地平下12°-18°
	地平下18°	真正的黑夜来临（或结束） 肉眼可见的最暗淡的星开始显现，天空完全黑暗

晨昏蒙影持续的时间：
根据太阳周日圈与地平圈的交角大小（90° - φ）来推算
→ 纬度↑，晨昏蒙影的时间↑
→ 二分较短，二至较长

白夜：（高纬度夏季奇特的天象）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）

403 太阳高度

403-1 太阳高度概说

太阳高度：太阳对地平的高度角
用解天文三角形的方法计算

太阳高度h的三个决定因素：
① 地理分布因素：当地的地理纬度φ
② 季节变化因素：当日的太阳赤纬δ
③ 周日变化因素：当时的太阳时角t
sinh = sinφ sinδ + cosφ cosδ cost

正午时刻，太阳中天 → 正午太阳高度

地球上的四季和五带的形成的两个主要的因素：
① 昼夜长短：影响日照时间的长短
② 正午太阳高度：决定辐射强度的大小

正午时刻，太阳中天 ：t = 0°
→ sinH = sinφ sinδ + cosφ cosδ
→ sinH = cos(φ - δ) = sin[90° - (φ - δ)]
→ H = 90° - (φ - δ)（正午太阳高度公式）
φ：都看作正值
δ：有正负之分（太阳直射半球为正，非直射半球为负）
注意：
北半球的正午太阳高度：以南点为起点
南半球的正午太阳高度：以北点为起点
计算结果容许出现H＞90°和H＜0°的情形。

条件	正午太阳高度	描述
φ = δ	H = 90°	正午太阳当顶 太阳赤纬（δ）变化于±23°26′之间 → 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
δ＞φ	H＞90°	该地（北半球）正午太阳已越过天顶向北倾斜
φ＞90° - δ	H＜0°	极夜

正午太阳高度：H = (90° - φ) + δ
→ 上点高度：(90° - φ)
夜半太阳“低度”：H’ = -(90° - φ) + δ = φ + δ - 90°
→ 下点高度：-(90° - φ)

白夜的纬度界限：
晨光始（或昏影终）的太阳“低度”标准：-18°
δ的极大值：23.5°
→ -18° = φ + 23.5° - 90°
→ φ = 90° - 23.5° - 18° = 48.5°
→ 我国黑龙江省的漠河（φ = 53.5°）：“中国的北极”

在中学地理教学中，正午太阳高度的推算：

太阳直射点	条件	正午太阳高度
（a）赤道	δ = 0°	H = 90° - φ
（b）纬度＜当地纬度	δ＜φ	H = 90° - (φ - δ) = 90° - φ + δ＜90°
（c）纬度＞当地纬度	δ＞φ	H = 90° + (δ - φ) = 90° - φ + δ＞90°
（d）南半球	δ为负值	H = 90° - (φ + δ) = 90° - φ - δ

403-2 正午太阳高度的纬度分布

（未完待续）

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