首页 > 分享 > 去燕还回，枯柳还青—— 时光匆匆，四季更替，原因几何？

去燕还回，枯柳还青—— 时光匆匆，四季更替，原因几何？

花匠小妙招
2024-11-11 10:32

周一 · 知古通今|周二 · 牧夫专栏

周三 · 太空探索|周四 · 观测指南

周五 · 深空探测|周六 · 茶余星话|周日 · 视频天象

原作：Daniel V. Schroeder

翻译：周学云

校译：牧夫天文校对组

编排：姚顺仪

后台：库特莉亚芙卡李子琦徐⑨坤

https://physics.weber.edu/schroeder/ua/SunAndSeasons.html

上周的推文我们讲解了太阳周日视运动和四季成因，这次我们一起来聊聊十二星座的由来、地球上温度带的划分，并穿越千年时空和孔圣人一起“辩一辩日”。

天球上的太阳和黄道十二星座

虽然白天我们无法同时看到太阳和星星，但要弄清楚某天太阳与哪些星星和星座在一起并不难：你在日出前看一看东方的星座，或者在日落后看一看西方的星座，并把太阳与地平线之间的夹角考虑进去就行了。（注：也可以利用某些星图软件来确定太阳和星座的位置，例如stellarium、mobile observatory等，非常方便。）

黄道是天球上的一个大圆，相对于天赤道的倾斜角为23.5°。

如果你在星图或天球上画出太阳每天的位置，你会发现它逐渐划出一个大圆，称为黄道。黄道是一个假想的环绕天球的圆，以我们为中心，它标出了太阳相对于星座的所有可能位置。每天，太阳围绕我们旋转的时间比星座要长4分钟，因此它每天会沿着黄道向东移动大约1°，花上整整一年(365.24天)才能绕上一圈。

黄道与天赤道相交于位于彼此对面的春分点和秋分点。由于黄道相对于天赤道倾斜了23.5°，所以它的一半在天球的北半球，另一半则在南半球。太阳在6月夏至日到达黄道的最北点，在12月冬至日到达黄道的最南点。

所谓的黄道星座，只是恰巧位于黄道上的星座。按照传统，黄道星座有12个：双鱼座、白羊座、金牛座、双子座、巨蟹座、狮子座、室女座、天秤座、天蝎座、人马座、摩羯座、宝瓶座。然而，经过几千年的地轴摆动，黄道在天空中的位置出现了变化，跨过了第13个星座——蛇夫座，它在1928年被国际天文联合会官方确认为黄道星座中的一员。

这是一张360°全景天球平面星图，北（南）天极被拉伸为图像上（下）边缘，图中蓝线为天赤道，黄线为黄道，即太阳周年视运动轨迹。黄道十二星座的轮廓已经用连线表示出来了，可以看到，黄道依次穿越这12个星座。春分点在图像右边缘，对应双鱼座，太阳每天向图中左边移动1°，先向北半天球移动，经过秋分点后，再向南半天球移动。

不同纬度上看到的太阳

太阳相对于其他恒星的位置并不依赖于你在地球上的观测位置，所以你现在已经有足够的知识去弄清楚太阳在星空背景是如何运动的了。

如果你在地球上向东移动，你就会更早地欣赏日出，反之，向西就会更晚欣赏日落，天空中的其它恒星也一样道理。所以我们在地球上划分了不同的时区，来保证钟表时间适应当地的日出（或日落）。

如果你向北或向南移动，太阳周日视运动与你所在纬度上看到的恒星运动是一样的。例如，春（秋）分时，太阳依旧沿着天赤道运动，夏至或冬至，沿着天球的北纬23.5°（6月）或南纬23.5°（12月）的圆周运行。如果你晚上能在天球的这些地方看到恒星的轨迹，那么你就能看到太阳每天的轨迹。

举个例子，如果你从北京出发向北移动，你将会看到正午太阳的高度在南部天空越来越低，如果在冬至日，最终太阳将会和地平线平齐（零高度），此时你便走到了北极圈（北纬66.5°）。冬至日这一天，北极圈以北地区的太阳将永不升起（极夜），反之，夏至日这天，北极圈以北地区，太阳将永不下落（极昼），在北极圈上，午夜0点，太阳只是擦过地平线，随后便又升起了。越往北，一年之中夏季白天（或冬季黑夜）的时间越长，在北极点上，一年之中一半时间是永昼（3月份~9月份），太阳沿着地平圈转动，夏至太阳高度到达最大23.5°，另一半时间是永夜。

我们换一个方向，从北京出发向南运动，正午太阳高度将会越来越高，直到我们走到北纬23.5°，夏至日，正午太阳将会位于你的头顶正上方，这条纬线称为北回归线。再往南走，就进入所谓的热带地区了，夏至前后一段日子，太阳将会处于天空的北方。到赤道上，春秋分日，太阳同样会经过你头顶正上方。再往南，就会经过南回归线以及南极圈，你看到的现象将会和我们上面讲北半球时正好相反。

北极和南极圈标记了二至日时太阳光线的最大照射范围。南北回归线标志着在二至日正午太阳光线垂直照射地面的位置。

太阳在地平线上角度的不同是地球上不同区域气候不同的主要原因。南北极圈内很冷，被称作寒带，即便那里的夏天日照时间达24小时，但是太阳高度角太低了。南北回归线之间的热带总是很热，即使一年中每天日照时间超过12小时的天数并不多，但是太阳经常是直直地挂在头顶上方。中纬度地区被称为温带区，通常夏季炎热，冬季寒冷，四季分明。北回归线和北极圈之间是北温带，南回归线和南极圈之间为南温带。

太阳的大小和颜色

除了位置，太阳的外观大小和光线颜色也很容易测量，结果可能会使你大感意外。

有一个简单但不太安全的方法可以估计太阳的外观大小——举起你的小手指朝向它。但问题是，直视太阳会损伤视力。不过，等到太阳被云层或阴霾遮蔽时，你可以快速地瞥一眼。你会发现太阳的视直径只有半指宽，也就是说，只有0.5°！当然，更安全的方法则是利用小孔成像原理测量太阳直径。

事实上太阳的大小与它所在天空的位置无关，这个基本事实甚至难倒了我们的圣人——孔子（还记得小时候学过的“两小儿辩日”的典故吗？），哈哈。一个常见的视错觉是，当太阳位于地平线附近时看起来更大，这是因为我们正在比较它和地平线上其他遥远物体的大小；另一方面，当太阳位于高空时候，空旷的天空又使得其看起来更小。不管哪种情况，我们都可以用上面提到的两种测量方法亲自进行验证。

一天中不同时刻，太阳的颜色似乎也在变化，朝阳和夕阳看起来要偏橘色甚至红色。

金色海面上的日落

来源：Pete Lawrence

太阳高挂天空时，它基本上呈现为白色——尽管这很难看到，因为在这些时候（安全地）观察太阳要较困难。我想你大约已经猜到了，这种表面上的颜色变化与太阳本身并无关系。太阳高度较低时的变红现象是由地球大气造成的。在地球上的绝大多数地区，大气只有大约几十公里厚，太阳在高空时，光线穿过大气进入我们眼中所要走的路径远小于早晨和傍晚，地球大气对蓝色光线具有较强的散射作用（所以天空看起来呈现蓝色），太阳光线的颜色构成和彩虹一样，从波长较短的紫色一直到红色，一共七种。早晨和傍晚，光线穿过大气的路径较长，所以大多数蓝色光都被散射掉了，所以看起来偏黄色或橙红色。下图很好地说明了这个问题。