关于太阳高度

【专家解说】：人类对宇宙的认识经历了漫长的时间。古代自然哲学所讨论的天文学的宇宙，不外乎大地和天空。16世纪哥白尼倡导的“日心说”，认为“太阳是宇宙的中心”，意味着宇宙实际上就是太阳系。18世纪天文学家引进“星系”一词，在一定意义上也不过是宇宙的同义语。20世纪以来，尤其是60年代大型天文望远镜的使用，以及空间探测技术的发展，使天文观测的尺度大大扩展，达到上百亿年和上百亿光年的时空区域。人们对宇宙的认识不断加深。 宇宙是物质世界，而且物质的形态多种多样(图1.1)。晴朗的夜晚，我们用肉眼或借助望远镜，可以看见星光闪烁的恒星、在星空中移动的行星和圆缺多变的月亮，有时还可以看到轮廓模糊的星云、一闪即逝的流星、拖着长尾的彗星。借助天文望远镜和其他空间探测手段，还可以探测到存在于星际空间的气体和尘埃等。所有这些，通称天体。天体在大小、质量、光度、温度等方面存在差别。 宇宙处于不断的运动和发展之中。天体之间相互吸引和相互绕转，形成天体系统。目前，人们认识到的天体系统，从小到大排列，有以下几个层次(图1.2)。 ●月球绕地球公转，构成地月系。月地平均距离为38.4万千米。 ●地球和水星、金星、火星、木星、土星，天王星、海王星、冥王星等行星，以及小行星、彗星、流星体等天体围绕太阳公转，构成太阳系。太阳是太阳系的中心天体，占有太阳系总质量的99.86%。冥王星是距离太阳最远的行星，它的轨道直径约为120亿千米。 ●太阳和千千万万颗恒星又组成庞大的恒星集团，称为银河系。在银河系中，像太阳这样的恒星有2000多亿颗。银河系主体部分的直径约为8万光年。 ●银河系以外还有许许多多同银河系规模相当的天体系统，称为河外星系，简称星系。用目前最大的望远镜，可以观测到数以十亿计的星系，其中离我们最远的估计为 150亿-200亿光年。天文学上把银河系和现阶段所能观测到的河外星系，合起来叫做总星系，这就是目前我们能观测到的宇宙范围。 宇宙中的天体不是同时形成的，而且各自都有其发生、发展、衰亡的历史。作为整体的宇宙，也经历了温度从高到低，物质密度从密到稀的演化。 太阳是一个巨大炽热的气体球，主要成分是氢和氦，表面温度约为6000K。太阳源源不断地以电磁波的形式向四周放射能量，这称为太阳辐射。太阳辐射的能量是巨大的，据计算，每分钟太阳辐射向地球输送的能量(图 1.4)，大约相当于燃烧4亿吨烟煤产生的热量。 太阳辐射能量来源于太阳内部的核聚变反应。太阳内部在高温、高压的环境下，4个氢原子核经过一连串的核聚变反应，变成1个氦原子核。在核聚变过程中，原子核质量出现了亏损，其亏损的质量转化成了能量。太阳每秒钟由于核聚变而损耗的质量，大约为400万吨。按照这种消耗速度，太阳在50亿年的漫长时间中，只消耗了0.03%的质量。 虽然太阳辐射能只有二十二亿分之一到达地球，但是对地球和人类的影响却是不可估量的。 ●太阳辐射能是维持地表温度，促进地球上的水、大气、生物活动和变化的主要动力。例如，太阳辐射的纬度差异，导致了地面不同纬度获得热量的差异。对于整个地球表层来说，热量应该是平衡的，因而热量多余和热量不足的地方，要发生热输送。地球上的热量，主要依靠大气和水体运动来传 递。大气和水体的运动形成大气环流和洋流，对地理环境的形成和变化具有极其重要的作用。 ●太阳辐射能是我们日常生活和生产所用的能源。例如，人们直接利用太阳能发电，为生产和生活服务;人们把煤、石油等化石燃料作为工业的主要能源，而它们在形成的过程中固定了大量的太阳辐射能。 我国是世界上利用太阳能较早的国家之一。在一些太阳能比较丰富的农牧区，人们用太阳灶做饭，用太阳能干燥器加工农副产品，还用太阳能发电，看上了电视。 从古代起，人们就幻想穿过地球大气层，飞上太空。1957年10月，原苏联用火箭把第一颗人造地球卫星送上了天，开创了从太空观测、研究地球和整个宇宙的新时代。例如，各种科学卫星和空间探测器上天后，发现了地球大气层外还有磁层;宇宙中存在着大量的X射线、Y射线。还测量了许多行星表面的物理特性和化学成分。 20世纪60年代以来，各种载人飞船、航天站、航天飞机先后进入太空，实现了在没有地球大气干扰的情况下，人对月球、大行星的逼近观测和直接取样观测，以及对宇宙空间环境的直接探测，极大地充实和丰富了人类关于太阳系和宇宙的知识。 宇宙探测的发展，不仅使人们进一步了 解了地球的宇宙环境，而且还影响和改变着人们的社会生活。例如，人们利用卫星进行军事侦察、空间通信、气象观测，以及寻找资源、为飞机导航等，从中获得许多实际利益。 从1957年世界第一颗人造卫星上天，到 1981年世界第一架航天飞机试航成功，在这短短的24年中，人类对宇宙空间的认识，已经从空间探索阶段，逐步进入到了空间开发利用的新阶段。 我国的航天事业起步于20世纪50年代中期，现在已经步人世界上航天技术先进国家的行列。 地球绕其自转轴的旋转运动，叫做地球的自转。一般可以从地轴的空间位置，地球的自转方向、周期和速度等方面来说明地球自转的规律。 地球自转轴简称地轴。地轴的空间位置基本上是稳定的，地轴北端始终指向北极星附近。 地球自转的方向是自西向东。从地轴北端或北极上空观察，地球呈逆时针方向旋转;从地轴南端或南极上空观察，地球呈顺时针方向旋转。 地球自转一周360°，所需要的时间为23时56分4秒，这叫做1恒星日。 根据地球自转的周期，可以知道地球自转的角速度大约为15°/时。地球表面除南北两极点外，任何地点的自转角速度都一样。地球自转的线速度，则因各纬度的不同而有差异。 太阳直射点的移动，使地球表面接受到的太阳辐射能量，因时因地而变化。这种变化可以通过昼夜长短和正午太阳高度的变化来体现。昼夜长短反映了日照时间的长短;正午太阳高度是一日内最大的太阳高度，反映了太阳辐射的强弱。二者结合起来，可以定性地表达某时某地太阳辐射能量的多少。 (一)昼夜长短的变化 自春分日至秋分日，是北半球的夏半年。在此期间，太阳直射北半球，北半球各纬度昼长大于 夜长;纬度越高，昼越长夜越短。其中，夏至日这一天，北半球各纬度的昼长达到一年中的最大值，而且北极圈及其以北地区，太阳整日不落，出现极昼现象。南半球反之。 自秋分日至次年春分日，是北半球的冬半年。在此期间，太阳直射南半球，北半球各纬度夜长大于昼长;纬度越高，夜越长昼越短。其中，冬至日这一天，北半球各纬度的昼长达到一年中的最小值，而且北极圈及其以北地区，太阳整日不出，出现极夜现象。南半球反之。 在春分日和秋分日，太阳直射赤道，全球各地昼夜等长，各为12小时。 (二)正午太阳高度的变化 同一时刻，正午太阳高度由太阳直射点向南北两侧递减。 夏至日那天，太阳直射北回归线，此时，北回归线及其以北各纬度，正午太阳高度达到一年中的最大值;南半球各纬度，正午太阳高度达到一年中的最小值。 冬至日那天，太阳直射南回归线，此时，南回归线及其以南各纬度，正午太阳高度达到一年中的最大值;北半球各纬度，正午太阳高度达到一年中的最小值。 春分日和秋分日，太阳直射赤道。正午太旧高度自赤道向两极递减。 综上所述，全球除赤道以外，同一纬度地夏，昼夜长短和正午太阳高度随季节而变化，吏太阳辐射具有季节变化的规律，形成了四车同一季节，昼夜长短和正午太阳高度随纬廷而变化，使太阳辐射具有纬度分异的规律，臣成了五带。