[转载]地球的公转运动及其相关现象

 

    地球除了围绕其自转轴作自转运动外，还围绕太阳作公转运动，由此造成天体视位置的周年变化，形成了太阳正午高度和白昼长度有规律的变化，并形成了地球上的四季和五带。

 

地球的公转运动

 

    地球围绕太阳转动，叫做地球的公转运动。由开普勒行星运动第一定律知道，其运动轨道是一个椭圆。不过，它的偏心率很小，很接近正圆。太阳位于这个椭圆的一个焦点上。地球到太阳的距离是有变化的。在近日点时，日地距离为1.47亿公里，在远日点时,日地距离为1.52亿公里，日地平均距离为1.49公里。现阶段地球1月初经过近日点，7月初经过远日点。

 

    地球公转轨道是个椭圆，但其轨道平面与天球相截是个大圆圈。这个大圆圈称为黄道。黄道有两个极：北黄极和南黄极。从北黄极往下看地球的公转运动，其运动方向与地球自转方向相同，是逆时针方向，亦即是自西向东的。

 

    地球的公转周期是一年。地球围绕太阳公转360°的时间间隔是一个恒星年，它等于365.25636日或365日6小时9分9.7秒。天文上通常所说的年是回归年,它是太阳视运动两次过春分点的时间间隔，等于365.25964日或365日5小时48分46.08秒,与恒星年很接近，只短0.01416日或20分24秒。

 

    由开普勒行星运动第二定律知道，地球的公转速度与太阳的距离有关。地球在近日点时速度快，角速度为每日1°1′11″，线速度为每秒30.3公里；地球在远日点时速度慢，角速度为每日57′11″，线速度为每秒29.3公里；平均角速度为每日59′8″，线速度为每秒29.8公里。由于地球公转速度的快慢变化，就形成了自春分经夏至秋分的半年（夏半年）中的日数多于自秋分经冬至春分的半年（冬半年）中的日数，前者是186天，后者是179天。

 

天体视位置的周年变化

 

    一、太阳的周年视运动

 

    尽管，实际上是地球在围绕太阳运动，但人在地球上不觉得地球绕太阳运动，只看见太阳在星空背景上沿黄道运动，其运动周期与地球的公转周期相同。这种运动称为太阳周年视运动，简称太阳视运动或太阳周年运动。

                              

 

图1黄道十二宫

 

    古代的天文学家早就发现，黄道上分布着12个星座，太阳每年都依照相同的顺序通过这12个星座。古代巴比伦、希腊天文学家为了表示太阳在黄道上的位置，将黄道分为十二段，这十二段称为黄道十二宫。在黄道上从春分点起，每隔30度为一宫。十二宫次序为：白羊宫、金牛宫、双子宫、巨蟹宫、狮子宫、室女宫、天秤宫、天蝎宫、人马宫、摩羯宫、宝瓶宫和双鱼宫。

 

    在二千多年前，黄道十二宫与黄道上的十二个主要星座基本上一一对应。当时春分点在白羊宫，称为“白羊宫第一点”。因为宫与星座基本相符，春分点自然也在白羊座。由于岁差的缘故，春分点的位置每年在黄道上西移约50.2角秒，二千多年来共西移30多度。这样，千多年前在白羊座中的春分点现在已移至双鱼座，因而宫和星座已不吻合，或者说已向西错后一个星座。

 

    就目前而言，太阳经过黄道十二宫的时间大体如下表所示：

 

双鱼座 2月19日至3月20日	宝瓶座 1月20日至2月18日	摩羯座 12月22日至1月19日	人马座 11月22日至12月21日	天蝎座 10月24日至11月21日
白羊座 3月21日至4月19日	黄道十二宫			天秤座 9月23日至10月23日
金牛座 4月20日至5月20日	双子座 5月21日至6月21日	巨蟹座 6月22日至7月22日	狮子座 7月23日至8月22日	室女座 8月23日至9月22日

 

时下在一些人中流行爱说自己属什么星座。这里所说的星座就是黄道十二宫里的星座。只要知道生日，对照以上时间表，就可知道对应的星座。比如生于5月16日，就属于金牛座；生于是10月1日，就属于天秤座。作为一种趣谈，仅此而已，是可以的。不过，应当指出：一个人出生时太阳所经过的星座与他的性格命运并无必然联系，如果有人硬把它扯在一起，显然是一种误导。

 

   二、星空的周年变化

 

   留意观看星空的人不难发现，星空不仅每晚在围绕天轴作周日旋转运动，而且不同季节的星空有明显的不同。前者是由地球作周日自转运动所引起的星空周日视运动，后者则是地球围绕太阳作公转运动所引起的星空周年变化。现不妨举几个例子说明如下：

 

    如图1所示，在一、二月间，太阳处于宝瓶座，地球处于狮子座，二者黄相差180度，人从地球上看来，太阳西落时宝瓶座刚好升起。这正是冬季星空的景象。

 

    在四、五月间，太阳处于金牛座，地球处于天蝎座，二者黄相差180度，人从地球上看来，太阳西落时金牛座刚好升起。这正是春季星空的景象。

 

    在七、八月间，与半年前一、二月间的情况相反，太阳处于狮子座，地球处于宝瓶座，二者黄相差180度，人从地球上看来，太阳西落时狮子座刚好升起。这正是夏季星空的景象。

 

    在十、十一月间，与半年前四、五月间的情况相反，太阳处于天蝎座，地球处于金牛座，二者黄相差180度，人从地球上看来，太阳西落时天蝎座刚好升起。这正是秋季星空的景象。

 

黄赤交角及其影响

 

   地球一边公转，一边自转。其公转轨道平面黄道面与自转轨道平面赤道面之间有一个交角，叫做黄赤交角。目前的黄赤交角是23°26′。地轴同公转轨道平面黄道面斜交的角度为66°34′。黄道与天赤道相交于两点：一个叫春分点，是太阳从天球南半球进入天球北半球与天赤道的交点；一个叫秋分点，是太阳从天球北半球进入天球南球与天赤道的交点。春分点和秋分点合称二分点。在黄道上春分点与秋分点之间的中点，在天球北半球的称为夏至点，在天球南半球的称为冬至点。夏至点和冬至点合称为二至点。

 

 

 

图2地球公转与四季变化

 

    在地球绕日公转过程中，太阳有时直射在北半球，有时直射在南半球，有时直射在赤道上。太阳直射的范围最北是北纬23°26′，最南是南纬23°26′。当太阳直射在北纬23°26′时，就是北半球的夏至日（6月22日前后）。以后，太阳直射点南移。到了9月23日太阳能直射在赤道上。这一天北半球的秋分日。12月22日前后，太阳直射在南纬23°26′。这一天是北半球的冬至日。以后，太阳直射点北返，当3月21日前后太阳能再次直射在赤道的这一天，是北半球的春分日。6月22日前后又直射到北纬23°26′。这样，地球以一年为周期绕太阳运转，太阳直射点相应地在南北回归线往返移动。

 

正午太阳高度的变化

 

    太阳光线对于地平面的交角（即太阳在当地的仰角），叫做太阳的高度角，简称太阳高度。在太阳直射点上，太阳高度是90°；在晨昏线上，太阳高度是0°。太阳直射点南北移动，引起正午太阳高度的变化。正午太阳高度就是一日内最大的太阳高度，它的大小是随纬度不同和季节变化而有规律地变化着。

    地球上任一地点的太阳正午高度可用以下公式计算：

 

H=90°—│φ－δ│

 

式中H为太阳正午高度，φ为当地的地理纬度，δ为太阳能的赤纬，（任何一天的太阳赤纬δ都可在天文年历上查到）。

 

    以二分日和二至日天津（39°06′N）为例：

 

    春、秋分日时，太阳直射赤道，δ=0°，

 

              H=90°—│39°06′－0│=50°54′

 

    夏至日时，太阳直射北回归线，δ=23°26’，

 

              H=90°—│39°06′－23°26’│=74°20′

 

   冬至日时，太阳直射南回归线，δ=—23°26’，

 

              H=90°—│39°06′+23°26’│=27°28′

 

 

昼夜长短的变化

 

    在计算地球上各纬度的实际昼长时，除太阳赤纬这个主要因素外，还必须考虑地球大气对光线的折射和太阳视半径这两个因素的影响。

 

    天体的光线是穿过地球大气层到达观测者的。地球大气的密度，在近地面较大，在高空较小。因此，光线从太空进入地球大气后，必定要发生连续折射现象。使观测者所看到的天体方向和没有大气时的方向不同，这两个方向间的差值叫做大气折射，或蒙气差。如图所示，大气折射使天体的天顶距减小，高度增大。大气折射对天体高度的影响在地平附近最大，其值约为35’。这就意味着，当天体还在地平以下35’时，我们就已经看到它们在地平上了。

 

 

图3地球大气对阳光的折射

 

   恒星距地球非常遥远，它们的视象是一个光点。但太阳却不同，它有很大的视圆面，其平均视半径约16’。通常认为，早晨太阳上边缘刚接触地平时为日出；傍晚太阳上边缘刚入地平为日没。

 

    基于上述两个因素的影响，其总的效果是当太阳中心尚在地平以下51’的时候，即为日出日没。在不考虑大气折射和太阳视半径这两个因素的影响的情况下，通过解天文三角形，可以得到太阳在地平以上的时间，即昼长D为：

 

              D=（2/15）arccos（—tgφtgφ）

 

式中的δ为太阳赤纬，φ为地理纬度。在中学地理课程中所给出的昼长(见下表)就是由这个公式计算而得到的。

 

表1在二分点和二至点时处的不同纬度处的昼长

纬度	春分日	夏至日	秋分日	冬至日
+90°	极昼期（春分日至秋分日），极夜期（秋分日至春分日）
+66°34ˊ	12小时	12小时	12小时		0小时
+23°26ˊ	12小时	13小时27分	12小时		10小时33分
0°	12小时	12小时	12小时		12小时
-23°26ˊ	12小时	10小时33分	12小时		13小时27分
-66°34ˊ	12小时	0小时	12小时		12小时
-90°	极昼期（秋分日至春分日），极夜期（春分日至秋分日）

 

在考虑大气折射和太阳视半径这两个因素的影响的情况下，计算昼长的公式修正为：

D=（2/15）arccos（—tgδtgφ—sin51’/cosδcosφ）

 

由此所得结果表明：在赤道上，全年平均昼长是12小时7分，夜长是11小时53分，随着纬度升高，全年平均昼长增加，平均夜长减少。出现24小时白昼和24小时黑夜的纬度，并不在66°34’上，而是前者向赤道推进51’，即65°43’，后者向极地靠近51’，即67°25’。在两极上，二分日也不是极昼期和极夜期的起止日期。极昼期都有两天的提前和落后，极夜期都有三天的落后和提前。

 

    具体说，北极上极昼期开始于3月19日，结束于9月25日；极夜期开始于9月26日，结束于3月18日。南极上极昼期开始于9月21日，结束于3月23日；极夜期开始于3月24日，结束于9月20日。由于地球公转速度在近日点（一月初）快，在远日点（七月初）慢，所以在地球南北两半球相同的纬度上，其极昼期和极夜期并不是相等的。极昼期，北半球多于南半球；极夜期，南半球多于北半球。

 

晨昏蒙影和白夜

 

    由于高空大气对太阳光的散射作用，在日出以前，天空已有微弱的光亮，称为晨光；在日没后，天空仍有蒙胧的光亮，称为昏影。晨光和昏影合称晨昏蒙影。

 

    当太阳中心在平以下6°时称为民用晨光始或民用昏影终，天顶附近的亮星开始消失或出现。从日出（或日没）到太阳中心在地平以下6°的一段时间，一般不需照明，仍可工作。当到太阳中心在地平以下12°时，称为海洋晨光始或海洋昏影终，海面水平线模糊可见。当到太阳中心在地平以下18°时，称为天文晨光始或天文昏影终，这时天空完全黑暗，目视最亮星可以看到。

 

    在高纬度地区，民用蒙影不消失的夜晚称为白夜。很明显，在白夜的地区，必然是民用昏影刚结束，民用晨光随即开始。当太阳下中天的高度正好等于民用晨昏蒙影所规定的太阳高度h时，则纬度φ的地区就有白夜发生。因此，发生白夜的条件必然是

—6°≤（90°—φ）—δ＜—51’

 

由此可见，出现白夜的地方比出现极昼夜的地方纬度更低。

 

四季的形成与划分

 

    由于地球是斜着身子围绕太阳能公转的，这就造成了地球各处所接受的太阳辐射是随时间有规律地变化的。地球表面单位面积上接受的太阳辐射的数量，取决于日地距离、太阳高度和昼长这三个因素。在这三个因素中，起主要作用的是太阳高度和昼长。日地距离由于变化不大，所起作用最小。地球在一月初过近日点时所获得的太阳热量仅比在七月初过远日点时多6.9%，而在北半球，一月初正是最寒冷时期，七月初则是最炎热时期。由此可见，日地距离的变化并不是形成夏季和冬季的决定因素，它只能对夏季的炎热和冬季的寒冷起到有所增强和减弱的作用。

 

    地球上的季节变化，从天文现象来看，是昼夜长短和太阳高度的季节变化，这种变化取决于太阳直射点在纬度上的周年变化。从天文含义看四季，夏季就是一年内白昼最长、太阳最高的季节；冬季就是一年内白昼最短、太阳最低的季节；春秋二季就是冬夏两季的过渡季节。

 

    我国传统上以立春（2月4日或5日）、立夏（5月5日或6日）、立秋（8月7日或8日）、立冬（11月7日或8日）为起点来划分四季。西方国家划分四季则以春分、夏至、秋分、冬至分别作为春、夏、秋、冬四季的开始。

 

    上述天文四季的划分方法，与各地实际气候的递变不一定符合。我国大部分地方立春时，在气候上正处于隆冬；立秋时，气候上还处于炎夏。为了使季节与气候相吻合，现在北温带许多国家，运用气候统计的方法，一般把3、4、5三个月划为春季；6、7、8三个月划为夏季；9、10、11三个月划为秋季；12、1、2三个月划分为冬季。

 

    此外还有一种划分方法是以“候温”（每五天为一候，候温即每五天平均气温的平均值，全年划为73候）作为划分四季的标准。平均气温高于22℃的时期为夏季，平均气温低于10℃的时期为冬季，介于二者之间的时期为春季和秋季。以候温确定季节性对我国农业生产具有重要意义。例如，春始日期南京为3月22日，北京为4月1日，和两地桃花初开的平均日期大致相同。

 

五带的形成与划分

 

   由于太阳辐射在纬度分布上有从低纬向高纬递减的规律，导致地球上按纬度划分为一个热带、两个温带和两个寒带，共为五个热量带。五带的分界线是南北回归线和南北极圈，而回归线和极圈的纬度是由黄赤交角决定的（回归线的纬度=黄赤交角，极圈的纬度=90°—黄赤交角），因此，若黄赤交角发生变化，五带的范围就发生变化。

 

图4五带的划分

 

    热带，包括南北回归线之间的地带，是一年内太阳往返垂直照射的地区，昼长在10小时33分到13小时27分之间。其它地区太阳能全年斜射，昼长虽然有长过13小时23分，甚至长到半年的，但也有短于10小时33分，甚至半年为黑夜的时期。因此，全年各地所受太阳辐射都小于这个区域。这个区域被称为热带，其面积占全球总面积的39.8%。

 

    温带，包括回归线与极圈之间的地带，一年内太阳高度变化都比热带大，但又远远不及极圈到极点地区的变化大。太阳高度以从0°到90°，昼长变化从0小时到24小时。全年所受的太阳辐射少于热带而多于寒带。所以，这个区域称为温带。温带面积占全球总面积的52%。