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穿越地平线

郭迎霞

 
 
 

日志

 
 

极昼区太阳周日视运动规律探析  

2011-07-28 22:12:51|  分类: “我在路上”—— |  标签: |举报 |字号 订阅

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 极昼区,即出现太阳终日不落现象的地区。在同一个太阳日内,极昼区内不同纬度地点尽管都有极昼现象,但它们的太阳高度(角)日变化及其太阳周日视运动轨迹却迥然不同。对于该问题的认识,学生大都模糊不清,下面分类图示例析如下。

  一. 南、北极点太阳周日视运动状况

    每年春分(3月21日前后)至秋分(9月23日前后),阳光直射北半球,为北极点极昼期;秋分至次年春分,阳光直射南半球,则为南极点极昼期。由于南、北极点位于地球自转轴上,其角速度和线速度为0,因此,当其处于极昼期时,全天24小时太阳高度角为恒值(不变),并且其太阳高度的大小取决于阳光直射点的纬度。运用正午太阳高度的计算公式(h=90°-(90°-直射点的纬度)),可推知h=直射点所在的纬度数,即极点太阳高度角的大小恰好等于阳光直射点的纬度。例如,当阳光直射20°N时,北极点全天太阳高度角为20°;又如,当阳光直射20°S时,南极点太阳高度角终日为20°。由于阳光直射点以回归年为单位在南北回归线之间来回移动,故南、北极点在其极昼期内的太阳高度变化范围为(0°,23°26′]。当阳光某日直射南、北纬h°时,南、北极点太阳高度角的日变化曲线及其视运动轨迹,如图1、图2(南极点图)和图3(北极点图)所示。

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提示:①太阳周日视运动是地球自转的结果,其移动方向与地球自转方向相反;在北半球地平圈上看来,太阳视运动表现为顺时针方向,而南半球则为逆时针方向。②北极点为地球最北端,其四面八方均为南方;南极点为地球最南端,其四面八方为北方。③阳光直射赤道时(二分日),南、北极点太阳高度终日为0°,该日太阳沿地平线移动,此现象不属极昼现象。④阳光直射点南北移动的日内变化忽略不计,同纬度地点太阳视运动轨迹相同。

    例1 下图为某科考队员在某地观测到的太阳高度日变化示意图,这一天他观察到的太阳在天空呈逆时针方向运行。 据此回答下面两题。

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⑴.该科考队员所处的纬度位置是(  )                          

A.68°S   B.68°N   C.90°S   D.90°N

⑵.假设图示太阳高度为该地一年中的最大值,则(  )

A.地球上的热带范围将变大

  B.地球上温带范围将变小

C.地球上有极昼极夜现象的范围将变小

D.濮阳(36°N)正午太阳高度的年变化幅度将变大

解析 地球上太阳高度整日不变的只有极点,极昼时北极点上空太阳视运动方向为顺时针方向,南极点为逆时针方向,故第⑴题C项正确。极昼期间,极点太阳高度等于阳光直射点的纬度,其大小随直射点的南北移动而变化。若此日南极点的太阳高度(22°)为一年中的最大值,说明黄赤夹角变小,则南北回归线的度数由23°26′缩小为22°,南北极圈的度数由66°34′增大为68°,进而可知地球上的热带范围缩小,寒带(即有极昼极夜现象的地区)缩小,而温带范围则变大,故第⑵题C项正确;据正午太阳高度的计算公式可推知,温带地区正午太阳高度的年变化幅度为黄赤夹角度数的2倍。黄赤夹角变小,濮阳正午太阳高度的年变化幅度也将变小。

答案 ⑴ C ⑵ C

  二. 极昼圈上太阳周日视运动状况

    所谓极昼圈,就是指刚刚出现极昼现象的纬线圈,即出现极昼现象的最低纬度圈。极昼圈的大小随着阳光直射点的南北移动而张缩。以北半球为例,春分(3月21日前后)过后,阳光直射点由赤道逐渐向北移移动,极昼圈则由北极点(90°N)逐渐向南扩展;夏至时,阳光直射23°26′N,极昼圈扩大到年内最大值,此时极昼圈就是北极圈,即66°34′N。夏至过后,阳光直射点又由23°26′N向南移动,极昼圈则由北极圈向南逐渐缩小;到秋分时,极昼圈缩小至北极点,北半球极昼现象结束。通过分析日照图容易得出,在极昼圈张缩过程中,阳光直射点所在的纬度始终与极昼圈的纬度互余。显然,极昼圈的纬度年内变化范围为[66°34′,90°)。

极昼圈上,全天24小时内太阳高度最小值为0°,出现在当地时间0时(或24时),此时太阳视运动轨迹与地平圈相切;太阳高度最大值就是当地正午太阳高度,其大小为阳光直射点所在纬度数的2倍(根据正午太阳高度的计算公式即可推知)。显然,冬至或夏至时极昼圈上的正午太阳高度达到一年内的最大值,即46°52′。当阳光某日直射南、北纬h°时,极昼圈(其纬度为南、北纬(90°-h°))上某地点太阳高度的日变化曲线及其视运动轨迹,如图4、图5(南半球极昼圈太阳视运动图)和图6(北半球极昼圈太阳视运动图)所示。

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例2 下图表示某地点A某日所观察到的太阳运行轨迹,其中箭头表示太阳运行方向,E、W、S、N分别表示东、西、南、北四个方向。当太阳位于图中B点时,北京时间为16点。据此回答下面两题。

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⑴.观察地点的地理坐标可能是(  )

A.60°N,120°W          B. 60°N,60°E

C.70°N,120°W          D. 70°N,60°E

⑵.该日,太阳升起的方向是(  )

A.地平正北方向          B. 地平东北方向

C.地平东南方向          D. 地平正东方向

解析  从图中太阳视运动可以看出,该地该日刚好发生了极昼现象,即该地正好位于极昼圈上。极昼圈上正午太阳高度等于直射点纬度的2倍,据图示信息可推知此时阳光直射在20°N,进而可知该日极昼圈为70°N(90°-20°)。当太阳位于B点时,为当地地方时正午12点,而此时的北京时间(东经120°地方时)为16点,时差4小时,经度相隔60°,可算出该地位于60°E。北半球极昼圈上,太阳在子夜0时从地平的正北方向升起(人的视线越过北极点看到日出),又在第二天的子夜0时落于地平的正北。

答案  ⑴ D  ⑵ A

   三. 极昼圈与极点之间地区的太阳周日视运动状况

    在极点与极昼圈之间的极昼地带,全天24小时太阳高度角都大于0°,其中日最小太阳高度角与正午太阳高度角之和等于阳光直射点纬度数的2倍,并且日最小太阳高度角的度数等于该地纬度与极昼圈之间相隔的纬度数(由正午太阳高度的计算公式外延而得)。例如,当阳光直射20°N时,极昼圈为70°N,处在极点与70°N之间的80°N上的正午太阳高度为30°(据正午太阳高度的计算公式而得),其最小太阳高度角则为10°(2×20°-30°=10°)。当阳光某日直射南、北纬h°时,极昼圈纬度为90°-h°,此时处于极点与极昼圈之间地带的某地点太阳高度日变化曲线及太阳视运动图如图7、图8(南半球图)和图9(北半球图)所示。

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提示  h 1图中表示该地日最大太阳高度角,h 2表示该地日最小太阳高度角,若该日直射点纬度为h,a表示该地纬度,b表示该日极昼圈纬度,则它们存在以下关系式: ①2×h=h 1+h 2 ②a=b+h 2=90°-(h 1-h 2)÷2  ③b=90°-h°=90°-(h 1+h 2))÷2

例3 下图表示某地一天中两个不同时刻太阳光线与地面的夹角,据此回答下列三题。

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⑴.这一天,太阳直射点的纬度是(  )

A.15°N      B.20°N     C.15°S    D.20°S

⑵.该地的地理纬度是(  )

A.70°N    B.75°N   C.70°S    D.75°S

⑶.当太阳处在正北方上空时,国际标准时为20时,则该地的经度位置是(  )

A.120°W     B.0°    C.60°E     D.180°

解析 北半球极昼圈及其以北地区(极点除外),日最小太阳高度角朝向正北(出现在当地0时),日最大太阳高度(即正午太阳高度)朝向正南方向,并且两极值之和等于直射点纬度的2倍,据此可推知该日阳光直射20°N。该地纬度等于该日极昼圈纬度70°(90°-20°)与日最小太阳高度之和,即75°N。当太阳处于正北方上空时,该地地方时为0时(或24时),而此时0°经线地方时(国际标准时)为20时,通过时差经度计算可知该地经度为60°E。

答案  ⑴ B  ⑵ B  ⑶ C

    综上可知,阳光直射点的纬度决定着极昼范围的大小,并影响着极昼区各纬度地点太阳高度角的日变化及视运动状况。在分析极昼问题时,牢固把握直射点纬度与极昼区内各纬度地点正午太阳的数量关系,并联系上述三类地区的太阳视运动轨迹,问题往往会迎刃而解

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