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你知道最早的日落出现在一年中的哪一天吗?

2019-10-09来源:中国公益新闻网

想必大家都注意到上个十二月份太阳在冬至的前几天傍晚时分落下得更早,为什么最早的日落没有出现在一年中最短的这一天?难道地球在一月处于近日点和这个现象没有关系吗?


你知道最早的日落出现在一年中的哪一天吗?


我们的时钟与“平太阳日”是同步的。“平太阳日”是在地轴的倾斜角度(或者说倾角)为零或其绕日轨道为一个正圆(或者说椭率为零)的时候太阳的运动时间。那么让我们先来看看倾角和椭率均为零的情况。然后,黄道(太阳系的平面与太阳在天空中相对于恒星的运行轨迹)会与天赤道重合。正因为我们的时钟与太阳运动的完美同步,这个时间总是位于子午时分,也就是午夜十二点整。


你知道最早的日落出现在一年中的哪一天吗?


但是实际上地轴倾斜了23.5度。因此,黄道也相对于天赤道倾斜了23.5度。那么会发生什么呢?就拿秋分来说吧,如果倾角是零的话,太阳会按着天赤道的轨迹一天又一天地运行(这是地球绕太阳公转引起的,而非其自转造成的),但是由于转轴实际有23.5度的倾斜,太阳的运动平面会和天赤道有23.5度夹角,或者说它可以同时向南方和西方两个方向运动。


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现在,我们来对比一下太阳在这两种情况下(当倾角分别为0度和23.5度时)会向东运动多远。可以看出当其倾角为零度时,太阳会向东运行得更远。因此,太阳就会比我们时钟显示的午夜12点(即是地方正午)更早地到达子午时,这是因为如果地球倾角为零,太阳向东偏移的距离会比预定的少。正因时钟总是与平太阳同步,这个误差将会(地方正午与午夜十二点整的误差)累积。


你知道最早的日落出现在一年中的哪一天吗?


随着太阳逐渐南移,值得注意的是赤经的纵线也变得更加密集了。同时还应注意到在冬至点附近,太阳是沿着-23.5度的纬度线运动的,这意味着太阳纯粹是在向东运动。综合这两点考虑,我们可以发现,接近冬至点时,太阳向东移动的速度比它的倾角为零时要快。因此,在某一时刻,地方正午和时钟的正午之间的差值将会减小甚至到零。


你知道最早的日落出现在一年中的哪一天吗?


这种情况正好会发生在冬至这天。过了冬至这天,太阳又会比“平太阳”东移得更快了。因此,地方正午会比时钟正午晚。当太阳向更高纬度运动,从冬至走到春分时,上述情况发生逆转,地方正午和时钟的正午在春分点再次重合。因此,仅考虑倾角造成的影响:

当地正午会与时钟的正午在二分点与二至点重合

春分过后,时钟的正午会比地方正午晚

冬至之后,时钟的正午会比地方正午早

时钟的正午与地方正午之间的最大偏差约为9分40秒

因此,仅考虑倾角造成的影响:(不确定)


你知道最早的日落出现在一年中的哪一天吗?


在十一月初至二月初期间,地方正午会相继出现得较晚。

在二月初至五月初期间,地方正午会相继出现得较早。

在五月初到八月初期间,地方正午会相继出现得较晚。

在八月初至十一月初期间,地方正午会相继出现得较早。

因此,当太阳接近冬至时,日出会变早,日落会变晚。但是由于地方正午比时钟的正午要晚,这使得日出和日落的时间都会推迟。这两种因素的结合导致了在冬至之前就出现了更晚的日落,尽管这之后白天仍在变短。目前,我们只讨论了地球倾角改变的情况,并假设其运行轨道是圆。


你知道最早的日落出现在一年中的哪一天吗?


现在,让我们来看看,仅考虑地球的运行轨道是圆形会有什么结果。因此,我们假设倾角为零。如果地球的轨道是圆形的,那么全年两次地方正午之间的时间将是相同的。但是因为地球的轨道是椭圆的,所以它在近日点附近(1月左右)的移动速度比平均速度快,在远日点附近(7月左右)比平均速度慢。画一幅地球以太阳为中心旋转的图。相比之下,恒星的距离是无限的。现在,把地球画在一个地方,标出正午的位置。然后随着地球自转,那个点也在轨道上运动;在轨道上再次标出你在地球上标出的正午点。这段相隔时间就是“平太阳日”

(同时也请注意“平太阳日”与地球自转一周所用的时间是不同的)。


你知道最早的日落出现在一年中的哪一天吗?


现在,如果地球的运动速度比平均速度快,在相同时间内其运动的距离也会更多,所以你在地球上标出的位置不会是正午。如果要在这个位置上看到正午,那么地球就得自转得更快。因此,近日点附近的地方正午会比时钟的正午晚。当地球运行速度低于平均速度时,远日点的情况则刚好相反,因此,地方正午会比时钟的正午早。并且误差会在近日点附近递增,在远日点附近递减。

因此,只考虑椭率的情况在10月至明年4月期间,地方正午出现时间逐渐变晚。

在4月至10月期间,地方正午出现时间逐渐变早。地方正午与时钟的正午之间的最大偏差约为8分钟。


你知道最早的日落出现在一年中的哪一天吗?


现在让我们综合这两者来考虑,看看冬至附近会发生什么:在斜度和椭率共同作用下,冬至附近时,地方正午比时钟的正午晚。因此,这使得日出和日落的时间变晚(注意,如果没有这个影响,日出将变晚,日落将变早)。总的来说就是,在冬至到来之前,日落就会开始变晚,尽管白天依旧会变短。

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