梦幻星空宇宙：太阳和地球

       在研究大气中的物理现象和物理过程时，既要从大气运动本身寻找其变化的原因，又要考虑到与大气紧密联系着的太阳和地球的作用。因此，在学习大气科学知识以前，先了解一些太阳和地球的基本知识是必要的。

　　一、太阳

　　太阳是离我们最近的一颗恒星，是地球所在的太阳系的中心，也是地球上能量的主要来源。

　　太阳直径约140万千米，是地球直径的109倍；它的体积则等于地球体积的130万倍。

　　太阳具有2000亿亿亿吨的巨大质量，是地球质量的33万倍。太阳的巨大质量使得它具有很大的引力，地球就是在此引力的作用下绕太阳公转的。

　　根据测算，太阳表面温度约为6000℃，在这样的高温下，一切物质只能以气态存在，因此太阳又是一个炽热的气体球，其中心温度估计高达2×10⁷℃。

　　炽热的太阳表面不断地向宇宙空间放射出大量的光和热。每分钟由太阳表面放射出的热量要多于5×10²⁴千卡。如果把整个太阳表面用一层厚12米的冰壳包起来，那么只要1分钟，全部冰壳就会被太阳所放射出的热所融化。由此可见太阳放射出的能量有多大了。

　　二、地球

　　地球的东西半径稍长，南北半径稍短，两者之差仅21千米。由于这个差值与地球半径相比微不足道，因此在研究一般问题时，通常把地球看作正球体。按正球体计算时，它的半径为6371千米。

　　地球的体积约为1.1万亿立方千米，质量为5.98×10²¹吨。地球的巨大质量对地球上的以及与地球相联系着的一切物体具有强大的引力。

　　地球时刻在宇宙中进行着两种重要的运动：公转和自转。

　　地球围绕太阳公转的轨道是椭圆形的曲线，其长度为9.34亿千米。地球公转一周约需365天零5时48分46秒，故它的公转角速度约为每天1°。地球在轨道上的位置不同，与太阳的距离也就不同。地球离太阳最远的时候约在每年的7月4日(距离为1.52亿千米)，这时地球在轨道上的位置被称为远日点；地球离太阳最近的时候约在每年的1月3日(距离为1.47亿千米)，这时地球在轨道上的位置被称为近日点。

　　地球在绕太阳公转的同时，还围绕自身轴线(地轴)自西向东自转。自转一周所用的时间是23时56分4秒。地球自转轴与地球绕太阳公转的轨道面之间的夹角为66°33′。

　　地球的公转和地轴对于公转轨道面的倾斜，是形成四季交替的原因；地球绕地轴的自转则形成了昼夜的更换。

　　地球表面如此巨大，要在茫茫无际的地表上或海洋上寻找某个地点确实困难。而在电影院里，按一定的排号和座号，就很容易找到自己的座位。因此，纵然“地大无边”，我们也可以用类似上述“分排和编座号”的办法，来确定地球表面上的某一点的位置。这些“排和座”就是纬度和经度，统称为地理坐标。

　　地球上有许多具有特定含义的点和线。

　　南极、北极和赤道　地球的自转形成一条中心轴线，叫做地轴。地轴和地球表面交于两点，我们把朝北极星方向的一点叫做北极，另一点就叫做南极。

　　通过地心，并与地轴垂直的平面，与地表面相交形成的圆圈叫做赤道；它恰好把地球划分为南北两个半球。赤道上任何一点至南北两极的距离都相等。

　　经线和纬线　通过地球两极的大圆圈叫经线圈。两极把经线圈分成两半，每一半叫做一条经线(或叫子午线)。因为凡是通过两极的大圆圈都是经线圈，所以地球上的经线有无数条；地面上任一点都有一条经线通过。

　　与赤道平行的圆圈叫纬线圈。纬线圈由赤道向两极逐渐缩小，从两极上空向下看，纬线圈都是同心圆，两极各是一个圆心。

太阳和地球（二）

章淹　林之光　游来光

由于任何经线都通过南北两极，因此经线的方向就是南北方向；又由于纬线和经线相互垂直，因此纬线的方向就是东西方向。 　　经度和纬度　为了区别各条经线和纬线，很有必要给每一条经线和纬线以明确的标号；而在球面上，最好的办法是以度数来标号。作为地理坐标的经度和纬度就是这些标号。 　　通过每一条经线的平面，叫经线平面。两个经线平面之间的夹角(λ)叫经度。但地球上经线有无数条，如果不确定一个起点，就无法计算经度，因此在1884年的国际子午线会议上，各国共同商定，以通过英国伦敦市东南郊格林尼治天文台的经线，作为计算经度的起点，定为零度经线。同时，还确定：在零度经线以东的180°范围，统称为东经；在零度经线以西的180°范围，统称为西经。这样，某一个地点的经度，就是该地经线平面和零度经线平面之间小于180°的夹角了。例如，通过北京的经线平面和零度经线平面之间的夹角是116°28′，又在零度经线以东，所以北京的经度是东经116°28′，简写为116°28′E(E是东的英文缩写)。 　　某一地点到地心的连线和赤道平面之间的夹角叫做这个地点的纬度。显然，赤道的纬度是0°，南北两极都是90°。为了区别南北两个半球的纬度，将赤道以北的纬度统称为北纬，赤道以南的纬度统称为南纬。例如，北京到地心的连线和赤道平面之间的夹角是39°48′，又在赤道以北，所以北京的纬度是北纬39°48′，简写为39°48′N(N是北的英文缩写)。 　　一、昼夜 　　地球在自转的过程中总有半个球面向着太阳，半个球面背着太阳。向阳的半球，被阳光照得明亮，叫昼半球，这里这时是白天；背阳的半球，一片昏暗，叫夜半球，这里这时是黑夜。昼夜两个半球的分界线叫晨昏线。晨昏线与纬圈相交割，把纬圈分成两个弧段，处于白昼的弧段称为昼弧，处于黑夜的弧段称为夜弧。 　　当地球自西向东转动的时候，昼半球东边的区域逐渐进入黑夜，夜半球东边的区域逐渐进入白天。地球如此不停地自转就形成了昼夜交替的现象。 　　如果太阳光直射地球的位置永远那样，那么各纬圈的昼弧和夜弧都一样长，就是说，地球上各地昼夜的长短都是一样的。但是实际上除了赤道以外，大部分地区昼夜长短是变化的，在一年中有时昼长于夜，有时夜长于昼。这是什么原因呢?这是因为地球在公转时，地轴和公转轨道平面之间的夹角(倾斜角)始终保持66°33′。因而有时北半球倾向着太阳，有时南半球倾向着太阳，太阳直射地球的位置也就不同。 　　一年中太阳直射点变动于南纬23°27′和北纬23°27′之间。我们把南北纬23°27′的两条纬线，分别称为南回归线和北回归线。太阳直射点变了，由晨昏线交割纬圈而分成的昼弧和夜弧的长短也会发生变化。 　　太阳直射北回归线时的情况，这是一年中太阳直射点最北的位置。这时，在赤道上，昼弧和夜弧一样长，昼夜时间相等，都是12小时；在北半球赤道和北极圈(即北纬66°33′的纬圈)之间，昼弧比夜弧长，昼长于夜；北极圈以北的地区只有白天没有黑夜，这种现象被称为永昼。与北半球的情况相反，在南半球赤道和南极圈(即南纬66°33′的纬圈)之间，夜弧比昼弧长，夜长于昼；南极圈以南的地区，只有黑夜没有白天，这种现象被称为永夜。太阳直射南回归线时的情况，这是一年中太阳直射点位置最南的时候。这时，昼夜的长短，除赤道外，其余各纬度的情况正好相反。 　　所以，对北半球来说，太阳直射点北移时，白天增长，黑夜缩短；太阳直射点南移时，黑夜增长，白天缩短。对南半球来说则相反。当太阳直射赤道时，地球各地区昼夜等长。

太阳和地球（三）

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二、季节与二十四节气 　　在地球公转的过程中，整个地球接受的太阳热量变化很小，但就南半球或北半球来说，随着地球在公转轨道上的位置不同，所得到的热量却有显著变化。正是有了这种变化，才有四季之分。为什么随着地球在公转轨道上的位置不同，南北两半球所获得的热量就会有显著变化呢?为了说明这个问题，需要讲清太阳高度角、日照时间与地面得到太阳热量的关系。 　　同样一束太阳光，直射地面时所照射的面积要比斜射地面时小，因此，受太阳光直射的地方，单位面积所得到的热量必定大于受太阳光斜射的地方。太阳直射和斜射的程度可以用太阳高度角h来表示。 　　太阳高度角h就是太阳光入射的方向和地平面之间的夹角。太阳高度角等于90°时是直射，小于90°时是斜射。显然，太阳高度角越大，单位面积所接受到的太阳热量就越多。我们感觉到中午的阳光强，晨昏的阳光弱，夏天的阳光强，冬天的阳光弱，就是因为中午的太阳高度角比晨昏大，夏天的太阳高度角比冬天大的缘故。日照时间的影响则是：日照时间越长，地表接受到的太阳热量也就越多。 　　此外，当地球在公转轨道上的位置不同时，地面所受到的热量也有变化，现以北半球为例加以说明。 　　地球公转时，由于地轴在空间的倾斜方向不变，而且与公转轨道面始终成66°33′的夹角，因而地球在轨道上不同位置，北半球受到太阳照射的情况也不同。先从A点看起。这一点是每年6月22日前后地球在公转轨道上的位置。此时太阳直射北回归线，北半球大部分地区太阳高度角最大，日照时间最长，因而所接受到的热量最多。这一天称为夏至。过了夏至，随着地球在轨道上位置的变化，太阳直射点逐渐南移，到了9月23日左右，地球运行到B点。此时，太阳直射赤道，比起夏至来，北半球大部分地区太阳高度角减小，日照时间也减少，因而所接受到的热量也减少，天气开始转凉。这一天称为秋分。秋分后，太阳直射点移到南半球，北半球太阳高度角继续减小，日照时间继续缩短，到了12月22日前后，地球运行到C点，太阳直射南回归线。这一天称为冬至，对北半球来说，是太阳高度角最小，日照时间最短，所接受到的热量最少的一天。过了冬至，太阳直射点朝北移，到次年3月21日左右，又直射赤道，这是地球公转到D点的情形。此时北半球太阳高度角又增大，日照时间又延长，所接受到的热量又增多，万物苏醒，大地回春。这一天，称为春分。地球不停地绕太阳公转，北半球所接受到的太阳热量的多少也周期地变化着，这样就形成了寒来暑往的四季交替。在天文学上，四季的划分是：自春分到夏至，为春季；自夏至到秋分，为夏季；自秋分到冬至，为秋季；自冬至到春分，为冬季。 　　我们的祖先，通过长期的农业生产活动，早在春秋时代(距今2400～2700年左右)，就已认识了地球上冷暖变化与太阳位置的关系，确定了春分、夏至、秋分、冬至四个节气。到了距今2100年左右的汉代初期，随着农业发展的需要，在黄河流域又进一步把一年分为二十四个节气，即：立春、雨水、惊蛰、春分、清明、谷雨、立夏、小满、芒种、夏至、小暑、大暑、立秋、处暑、白露、秋分、寒露、霜降、立冬、小雪、大雪、冬至、小寒、大寒等。

太阳和地球（四）

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二十四节气表示了地球在公转轨道上二十四个不同位置时地球上气候的概况。其中立春、春分、立夏、夏至、立秋、秋分、立冬、冬至八个节气表示四季变化；小暑、大暑、处暑、白露、寒露、霜降、小寒、大寒八个节气反映气温的升降过程和程度；雨水、谷雨、小雪、大雪四个节气是反映降水的时期和程度；而惊蛰、清明、小满、芒种四个节气，前两个是季节的自然现象，后两个是有关作物生长发育现象。我们将它们联系起来看，就能明显地看出一年中寒暖、雨雪的动态和四季中气温的变化。 　　三、时间 　　大气的运动是在一定的空间和时间内进行的，因而，当我们研究大气运动时，不但要用到确定运动的空间位置的知识，而且要用到关于时间方面的一些知识。例如，对于气象观测来说，非常重要的一点就是要有同时性，只有世界各地的气象台都严格按统一规定的时间进行大气观测，才能对所取得的资料进行分析、比较和研究。 　　我国古代曾根据观察空中太阳位置变化的直接经验，用立竿见影的方法来测定时间。这种方法现在虽然不用了，但确定时间所依据的原理还是一样的。现在我们对时间的确定是这样的：以太阳两次对准某一经线的时间间隔为一天，实际上也就是地球自转近似一周的时间。我们把一天分成24小时，一小时分成60分钟，一分钟又分成60秒钟。那么我们很容易就推算出一小时就是地球对着太阳转过经度15°的时间。 　　以某地经线正对太阳的时刻为该地的正午12点，正背着太阳的时刻为午夜12点。这样所确定的时间称为某地的地方时。在同一经线上，地方时都相同；在不同经线的地方，地方时就不同。 　　很明显，如果各地都使用自己的地方时，一定会有很大的不便。例如，从北京到西安，如果想让我们的钟表指出正确的地方时来，就必须沿路不断地拨表，因为只要是经度不同，地方时就不同。为了避免这种麻烦，我们可以根据每15°经度差，则时间差1小时的道理，把整个地球表面划分成24个时区，再把每一个时区中央经线的地方时作为这一时区的标准，这种时刻就叫做标准时，或称区时。我国幅员辽阔，东西宽约达62个经度，横跨5个时区，如果完全按时区确定时间，也还有所不便。因此，除了特殊地区和特殊部门外，目前全国一律使用北京所在时区(中央经线为120°E)的区时，称为北京时。 　　为了便于进行各时区时间的换算，所有时区都按自西向东的顺序编号，以0°经线为中央经线的时区叫0时区(包括7.5°W到7.5°E的区域)，以东经15°为中央经线的时区(包括7.5°E到22.5°E的时区)叫1时区，以此类推，直到23时区。因此，任何两个时区的标准时之差就相当于它们的时区号码之差。例如，北京是在东经116°28′上，是用第8时区标准时，越南河内用第7时区标准时，两者时区号码之差是1，因而即可求得：北京时与河内时相差1小时。 　　为了确定各国共同计算时间的标准，国际上规定以0时区标准时为统一的时间，称为世界时。0时区的中央经线即通过英格林尼治天文台的经线，所以世界时又叫格林尼治标准时。不难理解，各时区标准时与世界时的时数之差正好等于它的时区号码。