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  • 为什么最早的日落不是出现在一年中最短的那一天?

    我注意到在过去的十二月,日落在冬至之前的几天开始变得越来越晚。为什么一年中最早的日落不是出现在最短的那一天呢?这个现象和地球在一月处于近日点这一事实有什么关系吗?

    为什么最早的日落不是出现在一年中最短的那一天?

    我们的时钟和“平均太阳日”是同步的,“平均太阳日”是太阳的一种运动,其假设地轴(或倾斜角)的倾斜度为零且地球轨道完全为圆形(即椭圆率为零)。因此,我们首先考虑倾斜度和椭圆率全部为零的情况。这时,黄道(太阳系的平面和太阳在天空中相对于恒星的运行轨迹)就会与天球赤道相一致。由于时钟和太阳是完全同步的,所以太阳总会在下午12点位于子午线上。

    为什么最早的日落不是出现在一年中最短的那一天?

    但是事实上,地轴有23.5度的倾角。因此,黄道相对于天球赤道也倾斜了23.5度。那么会发生什么呢?以秋分点为例,如果倾角为零,那么太阳每天都会沿着天球赤道运动(这是由于地球围绕太阳公转而引起的运动,而不是地球绕其轴心自转产生的)。但是由于实际上的倾角为23.5度,太阳会与天赤道成23.5度角的轨迹移动,或者同时向南和东方向运动。

    现在,我们来比较一下这两种情况下太阳向东移动了多少(情况分别为零度倾角和23.5度倾角)。可以得到的结论是,在倾斜度为零的情况下,太阳向东移动的会更多。因此,太阳会在时钟显示为下午12点之前到达子午线(表示当地中午),这是由于太阳向东移动的速度会比倾角为零时要小。由于时钟始终与“平均太阳日”同步,因此这种误差(发生在当地中午和时钟12点时刻之间的)将持续增长。

    为什么最早的日落不是出现在一年中最短的那一天?

    现在,随着太阳逐渐向南移动,可以注意到赤经的总线变得更加拥挤。此外,还可以观察到在冬至点附近,太阳的运动沿着-23.5度的磁偏角,也就意味着太阳仅仅向东运动。结合这两个事实,不难发现在四个分支点时,太阳向东移动的速度比倾斜度为零的时候要快。因此,在某些时刻,当地正午和时钟12点之间的差异将减小直至为零。这个现象正好发生在这四个节气点。过了这些节点,太阳仍会以大于“平均太阳日”的速度向东移动。因此,当地时间将会晚于时钟显示的正午。

    为什么最早的日落不是出现在一年中最短的那一天?

    从冬至到春分,随着太阳向更高的磁偏角倾斜,会出现与上面相反的结果,并且在春分点的时候,当地正午和时钟的正午会再次重合。因此,仅考虑倾斜度会得到:

    •当地正午和时钟正午会在分至点重合。

    •在二分点之后,时钟的中午将发生在当地时间中午之后。

    •在二至点之后,时钟的正午将在本地正午之前出现。

    •时钟正午与当地正午之间的最大偏差约为9分40秒。

    同时,以下现象也是由于倾斜得到的:

    •当地中午会在11月初至2月初之间持续偏晚。

    •当地正午会在2月初至5月初之间持续偏早。

    •当地中午会在5月初至8月初之间持续偏晚。

    •当地中午会在8月初至11月初之间持续偏早。

    为什么最早的日落不是出现在一年中最短的那一天?

    因此,临近冬至的时候,日出会变得更早而日落则会变晚。但是由于当地正午变得比时钟正午要晚,所以会造成日出和日落时间的延迟。这两种现象的结合会导致更晚的日落出现在实际冬至时令之前,尽管白天还在不断变短。但是需要注意,我们仅仅考虑了倾角的影响,而假设轨道是圆形的。

    现在,让我们来看一下考虑地球轨道的椭圆率会有什么发生。在这里我们假设倾斜度为零。如果地球的轨道是圆形,那么两个当地正午之间的时间在一年之中都会是相同的。但是由于地球轨道是椭圆形的,所以地球的移动速度比在近日点(1月左右)附近的平均速度要快,而比在远日点(7月左右)附近的平均速度要慢。

    为什么最早的日落不是出现在一年中最短的那一天?

    以太阳为中心,地球围绕其旋转构建一个模型。那么相比之下,一颗恒星就会处于无限远的距离。现在,在地球上绘制一个位置并将此标记为正午。那么随着地球的自转,这个点也会在其轨道上运动。当你在地球上标记的点再次到正午的时候,在轨道上标记其位置。这个时期就是平均太阳日(另需注意平均太阳日不同于地球绕其自身旋转一周所需要的时间)。

    现在,如果地球运动的速度快于平均水平,那么它在相同时间内在其轨道上运动得更多,因此你在地球上标记的位置将不会是正午。地球必须旋转更多才能到达正午的位置。因此,当地正午会晚于近日点的时钟正午。在远日点处会发生相反的现象,地球的移动速度会慢于平均速度,因此当地正午发生的时间早于时钟正午。同时,误差在近日点附近时会逐渐增加,而在远日点附近时则逐渐减少。

    为什么最早的日落不是出现在一年中最短的那一天?

    因此,当考虑椭圆率时,

    当地正午会在十月至四月期间出现的越来越晚。

    当地正午会在四月至十月期间出现的越来越早。

    当地正午和时钟正午之间的最大偏差大约为8分钟。

    现在,让我们将这两种影响因素结合在一起来看看冬至前后会发生很么:倾斜度和椭圆率两者的结合使得冬至附近的当地正午晚于时钟正午。因此,这导致日出和日落的时间都会变晚(没有这种影响的话,日出会变晚而日落会变早)。总体的效果就是,即使白天变得越来越短,日落也会在冬至前开始变得更晚。

    参考资料

    1.Wikipedia百科全书

    2.天文学名词

    3. 阿猜猜猜- astro-Jagadheep D. Pandian

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