為什麼夏至那幾天白天都那麼長?

2020-12-05 天文在線

根據日落日出表,在兩至點(即夏至和冬至)前後大約10天中,每天白晝時間的長度基本相差無幾。你知道這是為什麼嗎?

一年中每一天的白晝時間長度都會發生變化,這個變化量與太陽每天相對於天空中背景的偏移方向有關。這種由於地球繞太陽公轉的軌道(因為地球自轉旋轉軸與公轉平面並不垂直,而是呈23.5°的夾角傾斜。具體見圖1)而產生的太陽運動軌跡變化,可以通過拍攝一整年中每一天同一時間點太陽照片來測量。如果你這麼做了,你會發現「太陽們」在天空中的軌跡會形成一種特別的形狀,我們叫它「日行跡」(如圖2)。

圖 1 地球的自轉與公轉

圖 2 日行跡

說明: 如果你在每天同一時間為太陽拍一張照片,請問太陽的位置會保持不變嗎?答案是不會,而太陽在一年當中所經過的路線形狀就叫做 日行跡。太陽位置的變動起因於當地球繞日運行時地球自轉軸的傾斜。 夏天時,太陽會出現在日行跡的至高點,到了冬天,太陽就降到日行跡的最低點。而在不同緯度上製造出的日行跡會呈現些微的差異,如同在每天的不同時段製作出的日行跡也會不一樣。 左圖照片的日行跡是用 太陽攝影術建立起來的,從1998年八月拍到1999年八月,花了整整一年的時間於烏克蘭拍攝而成,前景照則是於1999年七月的傍晚在同一位置拍攝的。

正如你所見,日行跡有著一種複雜而奇特的「8」字形狀,但我們今天討論的重點是太陽每天的偏移方向。如果太陽主要是向北或向南偏移(從地面上觀察就是遠離或靠近地平線),那麼白晝時間就會有較大幅度的變化;反之,如果太陽主要是向東或向西偏移(與北邊地平線平行),那麼白晝時間就不會有太大變化,因為此期間太陽的最高高度與前一天基本相同(太陽的最高高度越高,太陽「走過」的路程越長,白天時間就會更長;反之,最高高度越低,太陽「走過」的路程就越短,白天時間也會更短)。

所以為了回答你的問題,你所要做的就是觀察兩至點期間的日行跡形狀(當太陽離地平線最遠或最近時,即圖2中的左上角和右下角)。正如你所見,此時曲線變得平坦,在兩至點附近的日子太陽的位置大致以東西方向偏移(請注意,圖片中「太陽們」之間的間距遠遠大於太陽每天偏移的距離——因為並沒有把365天的太陽都照進這張照片裡,不然那樣的話日行跡只要看太陽就好了!!)。又因為太陽主要是東西方向偏移(即這幾日太陽最高高度基本不變),所以白天時間長度不會有什麼變化。

如果仔細想想,你就會明白,無論日行跡的確切形狀為何,兩至點幾乎都會出現這個現象。根據定義,兩至點是太陽直射的地球緯度是其能夠抵達的最南(南回歸線)或最北(北回歸線)的極值的日子,所以如果太陽還能過繼續向北或向南偏移,那麼那天就不能算是兩至點。唯一能避免兩至日附近每天的白晝時間的變化速率不變慢,是在日行跡的兩至點兩端必須都要有一個尖銳的「尖峰」。但如果你考慮到實際情況(地球繞行太陽的公轉軌道),你就會明白不可能出現「尖峰」。因為地球在十分平穩的軌道上運行,沒有任何劇烈快速的變化,所以我們也可以預料到日行跡的形狀也應該是十分光滑的。

地球儀上的日行跡,攝於維也納地球儀博物館。

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