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第四章地球运动的地理意义四季和五带


第四章 地球运动的地理意义
?四季和五带
?太阳回归运动 ?昼夜长短及其变化规律 ?太阳高度及其变化规律 ?四季和五带

?历法
?阴历 ?阳历 ?阴阳历

?时间
?时间的本质和含义 ?时间的计量原理 ?时间服务

第八节 四季和五带 太阳回归运动 一、 太阳回归运动和太阳赤

纬的周年变化

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? 形成四季和五带的根本原因是黄赤交角
? 由于黄赤交角,使太阳周年运动表现为 对于天赤道的回归运动 ? 回归线:太阳回归运动的南北界线

? 回归年:太阳回归运动的周期
? 晨昏线(圈):分纬线(圈)为昼弧和 夜弧二部分,昼弧和夜弧的弧长,决定 该地昼长和夜长:每15? 折合1小时
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? 太阳回归运动定量地表现为太阳赤纬的 变化。任何时候,太阳赤纬总是等于太 阳直射点纬度) ? 二十四节气按太阳黄经划分,其更重要 的区别在于太阳赤纬的不同 ? 太阳赤纬决定:昼夜长短和正午太阳高 度

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二、 太阳回归运动与地球公转
? 根据太阳黄经求知所对应的太阳赤纬: sin?=0.4sin?

? 太阳回归运动的根本原因,是地球公 转的南北分量

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昼夜长短 一、 昼夜长短概说
? 晨昏线:昼夜两半球之间的分界线。各 地昼夜长短,因晨昏圈随太阳直射点的 移动而发生变化

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图 4-1 春秋二分:太阳直射 赤道,晨昏线等分所有纬 线,全球昼夜平分

图 4-2 北至日:太阳直射 北回归线,北半球各地昼 最长,夜最短;北极圈内 为极昼。南半球则相反
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图 4-3 南至日:太阳直射南回归线, 南北半球的昼夜长短与北至日相反
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? 半昼弧公式

? 地平圈分太阳周日圈(赤纬圈)为昼弧 和夜弧两部分 cost=-tan?tan?
(式中的?和?皆以北半球为正,南半球为 负)此公式表明,决定昼夜长短有两个 因素:当地地理纬度?和当时的太阳赤 纬?(即太阳直射点纬度)。前者是空 间因素,即地理因素;后者是时间因素, 即季节因素
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? 简言之:昼夜长短因纬度而不同,因季节 而变化
? 昼夜等长条件:t = 90°,cost = 0, 若:? ? ?? ?在赤道上? 终年昼夜等长。? ? ?? ? 在春秋二分时,全球昼夜等长回归线:太 阳回归运动的南北界线 ? 昼长夜短条件:?,?同号(太阳直射半球) ? 昼短夜长条件:?,?异号(非太阳直射半 球)
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? 极昼(极夜)条件:

? = ??? ? ? ,

(? = - (??? ? ?))

二、 昼夜长短的纬度分布
? 全球分极昼,昼长夜短,昼短夜长,极夜 四个地带(两分除外) ? ? 为正值,全球昼长向北递增;?为负值, 向南递增 ? ? 的绝对值愈大,极昼(夜)地带愈大
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三、 昼夜长短的季节变化
? 二分时,全球昼夜平分,均为12小时 ? 二至时,昼夜长短极端 ? 各地全年平均昼长相等,皆为12小时

四、 昼夜长短的其他因素
? 太阳视半径

? 大气折光作用
? 眼高差
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图 4-4 极昼(夜)区的季节变化 此图表示南北两半球极昼(夜)区的季节性扩大和缩小。图中 每个圆面分上下两半,分别表示北极和南极地区。三个同心圆分别 表示66?34? ,69?44?和78?28?的三条纬线。
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五、 晨昏蒙影
? 按晨光始和昏影终的太阳“低度”标准分 三级

? 民用:6?
? 航海:12? ? 天文:18? ? 纬度愈高,持续时间愈长 ? 高纬度(高于48.5?)夏至日,昏影未终, 晨光已始,叫“白夜”
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太阳高度
一、 太阳高度概说
? 任意时刻太阳高度(h)
? 包含三个因素: ? 太阳赤纬?(周年变化因素) ? 当地纬度?(分布因素) ? 当地太阳时角t (周日变化因素)

? 由余弦公式可得: sinh = sin?sin? + cos?cos?cost
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? 正午太阳高度(H) ? 正午太阳时刻,t = 0 , cost = 1,消去周 日变化因素,公式便简化为: sinH = sin?sin? + cos?cos? 按复合角公式有: cos(?-?)=cos?cos?+sin?sin? 于是便有: sinH = cos(?-?) = sin[90?-(?-?)] H=90?-?+? (式中?以夏半年为正,冬半年为负)
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? 正午太阳高度因纬度而不同,因季节 而变化; ? 式中的(90?-?)可看作上点高度。 注意
1) 北半球H以南点为起点(南半球反之); 2) 当? = ?时,H = 90?,只有南北回归线之 间,才可能达到90?的太阳高度; 3) 南北回归线之间(不包括南北回归线), 当? > ?时,H > 90?; 4) 极圈内冬半年,若? > 90?-?,H < 0?。

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? 夜半太阳“低度”

H?= -(90? - ?)+ ?= ?+?-90?
式中的-(90? - ?)为下点的低度

? 白夜的纬度界限
-18?=?+23.5?-90? ?=48.5?

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二、 正午太阳高度的纬度分布
H = ( 90? + ? ) - ? ( 90? + ? )为赤道上不同季节的正午太阳高 度,其他各地随纬度递减,?是对( 90? + ? ) 的纬度订正。

三、 正午太阳高度的季节变化
H = ( 90? -? ) + ? ( 90? - ? )为二分时的正午太阳高度,即全年 的平均值;?是对( 90? - ? )的季节订正。各 自半球的夏半年取正值,冬半年为负值。
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90°?N

66°34? N

0° 23°26?S 夏至日 二分日冬至日
23°26?N 正午太阳高度的分布规律

66°34?S 90°?S

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四、 地球上的四季
? 四季的性质

? 半球性现象:昼夜长短和正午太阳高 度角是半球性的,季节变化的主要因 素; ? 全球性现象:日地距离的变化(影响 很小); ? 首先是天文现象,然后是气候现象。

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图4-5 季节的天文因素:昼夜长短和正午太阳高度的变化

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? 太阳直射点的移动和四季的递变 ? 太阳直射点在南北半球的移动:两半球 冬夏半年相互替代;

? 太阳直射点向北或向南移动,两半球的 昼夜长短和正午太阳高度角变化相互倒 转;
? 太阳直射点向赤道移动,昼夜长短和的 正午太阳高度角趋向齐平,极昼和极夜 地区缩小;太阳直射点向回归线移动, 则反之。
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? 天文学上四季的划分 ? 我国强调天文特征,以四立(立春、立 夏、立秋、立冬)为四季的起止,以二 分二至为四仲; ? 西方侧重气候季节,以二分二至作为四 季的起点。 ? 要使四季划分反映地球的气候特征,必须 采用气候本身的标准

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图4-6 四季的划分
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五、 地球上的五带
? 五带的性质

? 季节带:具体的季节因地而异;
? 天文带:按有无直射阳光和有无极昼、 极夜现象; ? 纬度带:不考虑海陆、大陆东西岸和 地形的影响,也不考虑具体气象条件。

总之,以纬度为唯一标准。

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? 五带的划分:
? 南北回归线划分热带和温带(有无 90?H) ;

? 南北极圈划分寒带和温带(有无极 昼极夜)。

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第九节 历法

一、 历法概说
? 计量时间单位
? 回归年:季节变化的周期(365.242 2日); ? 朔望月:月相盈亏的周期(29.530 6日); ? 太阳日:昼夜交替的周期。 ? 观象授时 ? 观察自然现象推定农事季节 ? 可分为:地象授时、天象授时、斗柄授时、 中星授时、晷影授时。
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? 历法及其分类
? 历法,即安排年月日的法则; ? 同时考虑:年按照回归年,月根据朔望月;

? 历月有大月、小月之分;历年有平年、闰 年之别;
? 太阴历:侧重协调朔望月和历月的关系; ? 太阳历:侧重协调回归年和历年的关系; ? 阴阳历:侧重阴历兼顾阳历。

原则上:历月应力求等于朔望月,历年应 力求等于回归年。
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二、 阴历
? 编历原则 ? 平均历月=朔望月; ? 平均历年=朔望月×12 。 ? 优点:每一日代表一定的月相 ? 缺点:12个朔望月是354.367 2日,比回归 年短 10.875 0 日。由于这一差值,阴历的 月序没有季节意义, 不能满足农业生产的 需要
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? 回历(伊斯兰历)
? 朔望月长度=29.530 6日; ? 其中的29.5日为平均历月(逢单大月30日, 逢双小月29日,大小相间); ? 按尾数0.030 6日,定出30年11闰;(0.030 6 日×12×30=11.016日); ? 平年354日,闰年355日,比回归年短10.875 6 日;平均历月十分接近朔望月。回历年是太阴 年,与季节变化失调。另设太阳年: 平年365 日,闰年366 日,128年31闰,十分接近回归 年。
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三、 阴阳历
? 阴历成分:历月体现月相循环以朔望安 排大小月 ? 阳历成分:以回归年相当的朔望月数安 排平年闰年?平均历年接近回归年 ? 编历原则
? 平均历月=朔望月(与阴历同) ;
? 平均历年=12.368 3朔望月=回归年;

? 通过闰月协调历年和回归年;19年7闰。 (19回归年×365.242 2=6 939.601 8日) (235朔望月×29.530 56=6 939.691 0日)
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四、 中国旧历(夏历或农历)
? 具有阴阳历的共同特点:力求平均历月 等于朔望月,平均历年等于回归年 ? 与众不同的特点:

? 强调逐年逐月推算;
? 以月相定日序:以合朔为初一;以两 朔间隔日数定大小月;

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图4-7 我国传统历法根据先后二次 合朔间隔的日数,定大月或小月

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? 以中气定月序:据所含中气定月序, 无中气为闰月;

? 二十四气与阴阳历并行使用;
? 阴阳历用于日常记事; ? 二十四气安排农事进程; ? 干支纪法。

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五、 阳历
? 编历原则
? 平均历年=回归年,平年365日,舍去尾数 0.242 2日,积4年后满1日?置闰年366日; ? 平均历月=回归年/12,平均历月为30.436 8 日,一年有5个大月7个小月,大月为31日, 小月为30日。

? 每一历日,都有大致不变的太阳黄经和 确切的季节意义,体现了太阳的周年运 动和季节轮回
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六、 公历:从儒略历到格里历 ? 儒略历(公元前46年) ? 仿古埃及历法
? ? ? ? 一年365日; 回归年长度=365.242 2日; 首数365日定为平年长度(闰年为366日); 按尾数0.242 2日定出4年1闰;平均历年为 365.250 0日(比回归年多0.007 8日)。

为匀称方便起见,一年6个大月6个小月,逢 单为大,逢双为小。超出1日从二月扣去,为29日 的特殊小月,闰年为30日。
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? 奥古斯都历
? 改正了被搞错的置闰制度?自公元4年 起,4年1闰; ? 8月按照创历者的名字定名为奥古斯都 月(大月);

? 9月以后逢单为小月,逢双为大月; ? 6月大月改为7月大月; ? 8月大月造成了1个额外超出日?从二月 中扣去?二月平年为28日,闰年为29日。
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? 格里历:罗马教皇修改的儒略历 ? 自公元325年到1582年,儒略历误差积 累近10日,春分从3月21日提前到3月11 日; ? 格里历把1582年10月5日改为15日,在 历史上留下10日空白,使第二年春分又 回到3月21日; ? 格里历为消除新的误差,使春分固定在 3月21日,改4年1闰为400年97闰,平均 历年365.242 5日;
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? 凡遇世纪年,闰年必须被400整除; ? 当今格里历(新历)与儒略历旧历的差值 增为13日,故十月革命由旧历10月25日改 为11月7日; ? 平均历年精度?362.242 5日,与回归年差 0.000 3日,是一种较为完美的历法; ? 公历的缺陷:
? 岁首缺乏天文意义; ? 历月长短不齐; ? 大小月参差。
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一、时间的本质
?时间和时间的本质 ?时间与空间一样,都是物质存在的一种 形式,宇宙万物都在时间的长河中发生、 发展与变化着。 ?物质运动变化的序列和持续的性质,就 是时间的本质。

? 时间的含义
? ? ? ? 时刻,指时间的迟早; 时段,指时间的长短; 物理时刻,时刻的迟早程度; 钟表时刻,物理时刻的表达形式。
时 段 时间轴

时 刻
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时 刻

时 刻

图4-8 时刻和时段

二、时间的计量原理
?时间计量的原则 ?时间和空间都是物质存在的形式。时间表 示物质运动的连续性,计量时间必须选定 物质的某种运动来进行。选作计量时间的 物质运动必须具备三个条件:物质运动的 周期性、稳定性和可测性。 ?地球自转周期—“日”(恒星时、太阳时 系统) ?地球公转周期—“年”(历书时系统) ?原子振荡周期(原子时系统)

(一)时间计量的基本单位 ?? 秒 ?平太阳秒
?平太阳日长度的1/86 400

?历书秒
?回归年长度的1/31556925.9747

?原子秒
?铯一133原子基态的二个超精细能级之 间跃迁振荡9 192 631 770次所需的时 间

图4-9 日晷

图4-10 水运仪象台

图4-11 沙漏

图4-12 铜壶滴漏

图4-13 铯钟

时刻准确度 卫星导航 电子侦察卫星 巡航导弹 卫星测轨 高速数字通信网 电力传输网 电视校频 ±20纳秒 ±10纳秒 ±50纳秒 ±50纳秒 ±0.5微秒 ±1微秒

频率稳定度 ±2×10-13(日稳) ±5×10-13 ±5×10-13 ±1×10-12 ±5×10-12 ±1×10-11 ±5×10-12

(二)钟表时刻与量时天体
? 在天文上,时刻是以天体的时角来度量的。因 此,时刻因量时天体而不同。 ? “量时”天体:春分点和太阳 ? 春分点时角表示恒星时:因为春分点时角 周日变化均匀;春分点时角在任何时候都 等于上中天恒星的赤经,为恒星时的测定 提供方便 ; ? 太阳时角用来度量太阳时:因为太阳周日 运动是昼夜交替的直接原因。
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? 两种时间系统在时刻与天体时角关系上的 不同
? 恒星时同春分点时角一致(时角即时 刻),太阳时刻与太阳时角有12时的差 值:
恒星时 =春分点的时角太阳时 =太阳时角+12时

? 春分点是天球上的定点,其赤经为0时, 太阳在天球上有周年运动,方向向东赤 经逐日递增。
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图4-14 太阳时刻与太阳时角 图中的太阳时角为3h,而太阳时刻为15h

? 因此有换算关系:
? 恒星时=太阳时+太阳赤经-12时 ? 太阳时=恒星时-太阳赤经+12时

图4-15 恒星时与视太阳时的换算关系
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? 真太阳时、平太阳时 ? 两个太阳,两条路线:
? 真太阳(视太阳):沿黄道运行,非均匀; ? 平太阳:沿天赤道运行,均匀; ? 太阳时有真太阳时(视时)和平太阳时(平 时)。

? 两种速度:
? 视时是非均匀流逝的时间,但可以实测; ? 平时是均匀流逝的时间,但只能根据恒星时 或视时进行推算。

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? 时差??视时与平时之差

? 同一周期:都是回归年,“殊途同归”。 于是: ? 视太阳和平太阳存在赤经差或时角差, 也即视时与平时的时刻差,叫做时差。 时差=视时-平时
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图4-16 时差的定义

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?时差的周年变化:有正有负,可大可小
?是视太阳日长度的周年变化的结果(原因);

?用视午和平午的比较来说明

(方法);

?视太阳在平太阳之西,视时>平时,时差>0 视太阳在平太阳之东,视时<平时,时差<0 (规律); ?极值是差值的累计 极大值+16.4分;极小值-14.4分 ?12月24日,时差为零。 (结果)。

4-17 时差的符号 图中以平午时的情况为例,以视太阳与平太阳 的东西相位位置,表示当时时差的正负

图4-18 时差的周年变化

视太阳日长度4次平均值的日期,分别是时差的二次极 大值和极小值出现的日期。纵坐标左侧对应视太阳日长度 的变化(秒);右侧是时差的变化(分)。

图4-19 时差的周年变化

?恒星时、视时和平时的联系
?视时=恒星时-太阳赤经+12时;
?恒星时=视时+太阳赤经-12时;

?视时=平时+时差;
?平时=视时-时差;

?平时=(恒星时-太阳赤经+12时)-时差;
?恒星时=(平时+时差)+太阳赤经-12时。

图4-20 视太阳时与平太阳 时的换算关系

图4-21 恒星时与平太阳时 的换算关系

(三) 钟表时刻与地方经度
? 地方时 ? 按本地经度测定的时刻; ? 任何二地的时刻差,等于其经度差; ? 较东地点时刻较快; ? 格林尼治时间。 ? 标准时(属平太阳时范畴) ? 划分标准时区,确立标准钟点; ? 设置日界线,避免日期混乱。
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? 区时??理论标准时:
? 按经度分全球为24 个时区,每区跨经 度15? ,每一时区的东西界线距各自中 央经线为7.5?; ? 以标准经度的地方平时为全区统一的 标准时; ? 区时之差,等于时区数之差。
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? 法定时??区时的变通: ? 西方许多国家采用其东邻时区的标准 时(比理论时区快1小时); ? 亚洲南部某些国家根据本国所跨的经 度范围,采用半时区的标准时; ? 澳大利亚西部和东部分别采用东8和东 10区标准时,中部却采用+9.5区的标 准时; ? 尼泊尔任意“确定”标准时。
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图4-22 世界时区图
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? 我国目前是单一的法定时区,全国使 用唯一的法定时,即“北京时间” ;
? 北京时间,并非北京的地方平时,而 是120? E的地方平时; ? 夏令时:夏季来临时,时针拨快 1 小 时,秋季来临时,时针拨回1小时。

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? 国际日期变更线(日界线)和日期进退
? 时间丢失之谜:麦哲伦环球航行; ? 日界线西侧的东 12 区是全球的“最东” (最早)时区,线东侧的西12区是全球的 “最西”(最迟)时区; ? 日界线的东西二侧,钟点相同,日期相差 1 日,西侧(东12区)比东侧(西12区)超前 1日。 ? 向东过日界线,退1日;向西过日界线,进1 日; ? 日界线的偏离(为避开陆地和岛屿)。
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?地球上的日期
?日界线 ?夜半线

?从世界时到协调世界时
?世界时(UT):以地球自转为基础, 未摆脱地球自转不均匀对时间的影响; ?历书时(ET):以地球公转为基准, 以历书秒为单位,但精度不高。

? 协调世界时(UTC)
? 采用原子时的均匀秒长 ; ? 时刻上尽可能接近世界时; ? 闰秒(跳秒):协调世界时的秒长严格 等于原子秒;协调世界时与世界时的差 值,始终保持在±0.9秒内。超出这个限 度,在协调世界时中插入一个跳秒,既 对原子时的差值跳过1秒。 协调世界时的时刻始终接近世界时。
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四、时间服务
?测时
?古代:日晷、恒星位置 ?现代:中星仪或等高仪

?守时:用守时工具把所测的时间持续下去
?古代:圭表、日晷、滴漏、沙漏、计时香等 ?现代:各种钟表、天文钟、石英钟、原子钟

?播时:把测得的时间用各种手段播报出去。

?古代:明锣击鼓、夜间用打锣或击木棒(打更) ?近代:无线电报 ?现代:电视系统

?世界时服务 ?原子时服务


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