為什麼冬天太陽低,天也黑得早?
站在同一個地方,看著冬夏的太陽走過兩條不同的路。
夏天晚餐後天還亮著,冬天放學時太陽卻快落了。先選一個地方,讓太陽走過一天:看看它在頭頂走多高,又在地平線上停留多久。
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先猜一下
北半球是夏天時,南半球也是夏天嗎?
查看答案與解釋
通常是冬天 — 地軸傾斜讓兩個半球獲得日照的情況相反,季節也相反。
再把體驗和科學連結起來
先看你熟悉的晴天
太陽升起來、走高、再落下。圖裡金色實線是地平線上方的那段,灰色虛線表示被地球擋住的方向。
固定地點,比較太陽一天的路徑
同一個地方,換一個季節
北半球夏至附近,太陽的路徑更高,也有更長的一段露在地平線上。冬至時則低而短。
太陽赤緯在約 −23.44° 至 +23.44° 之間變化
為什麼路徑會改變?
地軸相對軌道平面是傾斜的。地球公轉時,太陽直射的位置會在南北之間移動;你看到的太陽路徑也隨之改變。
δ = asin(sin ε × sin λ),ε ≈ 23.44°
換到南半球再檢查想法
同一時刻,北半球傾向太陽,南半球就背離一些,所以兩邊的季節相反。並不是全地球同時靠近太陽就一起變暖。
同一太陽赤緯,不同緯度有不同的高度與白晝長
把計算鏈展開
δ = asin(sin ε sin λ);ε = 23.44° sin h = sin φ sin δ + cos φ cos δ cos H cos H₀ = −tan φ tan δ 昼长 = 2H₀/15 小時
先用太陽黃經λ求赤緯δ,再帶入所在地緯度φ。晝長式僅在有普通升落時成立;極晝、極夜另行判斷,本課不計折射。
試一試
先選「夏至 · 約6月」和「冬至 · 約12月」比較;滑桿會顯示節氣區間和大致月份。
動手看一遍 →
符號不用背
- ε
- 地軸相對軌道法線的傾角,約 23.44°
- λ
- 太陽黃經:春分 0°、夏至 90°、秋分 180°、冬至 270°
- δ
- 太陽赤緯:相對天赤道南北的位置
- h
- 太陽中心的幾何高度
演算法、精確度與適用範圍
第 27 章以太陽黃經 0°、90°、180°、270° 定義二分二至,本課結合第 13、15 章解釋其日常觀測意義。地軸傾斜是原因,赤緯變化是數學表達;太陽黃經不隨日曆日期嚴格勻速變化。固定黃赤交角 23.44°,太陽黃緯取 0,單日內固定赤緯。地方太陽時近似以 H=15(t−12) 轉為時角;晝長以理想 24 小時太陽日估算,不是先前恆星課中的恆星小時。未實現第 27 章二分二至時刻的多項式與週期修正,也不模擬真實年度氣溫。圖上日照長短來自幾何,不把效果誇張成地日距離改變。
我的理解檢查
在北緯 40°,夏至與冬至相比,正午太陽通常?
更高 — 夏至時太陽赤緯偏北,在北半球中緯度看起來更高。
同一地點白天較長,在圖中對應什麼?
路徑在地平線上方的時間較長 — 白天長短與太陽方向處在地平線上方多久有關。
這個模型能給出你家門口精確到秒的日出嗎?
不能 — 這裡用簡化幾何模型,不含特定日期星曆、折射、太陽半徑與地形。
地軸傾斜讓太陽在一年裡走不同的天空路徑,於是我們有了高低不同的太陽和長短不同的白天。
Jean Meeus · Astronomical Algorithms, 2nd ed. · 第 27 章