地球在太空中的运动与北回归线的成因
在宇宙中,地球作为太阳系中的一颗行星,在不停地运动着,其运动是复杂的,但最基本的运动是地球的自转和公转。
地球自转是地球本身绕自转轴自西向东旋转。地球的自转轴,简称地轴。地轴是假设的,但地球自转时,却仿佛有这根轴的存在。通过地心垂直于地轴的平面叫赤道平面,它与地球表面相割的大圆叫赤道。赤道把地球平分为南北半球。地轴穿过地心与地球表面相交于两点,其中,位于北半球的交点叫北极,位于南半球的交点叫南极。
地球绕轴自转的同时,还绕太阳自西向东公转。地球公转的轨道是接近正圆的椭圆。这个椭圆所构成的平面叫轨道平面,亦称黄道平面。
地球一面绕轴自转,一面绕日公转。在这一过程中,地轴并不与公转的轨道平面(黄道平面)相垂直,而是倾斜的,其夹角为66°34′(图1)。而地轴的倾斜方向在空间始终保持不变(平移),致使赤道平面与黄道平面不相重合(不平行),而呈倾斜状态,其夹角是66°34′的余角,即23°26′。这个夹角叫黄赤交角。
![黄赤交角 地轴倾斜](http://www.sinaimg.cn/IT/2011/0607/U1235P2DT20110607143048.png)
地轴倾斜
地轴的倾斜和倾斜的方向不变,还导致了地轴对太阳的不同倾向,使地球上的太阳直射点在北纬23°26′到南纬23°26′之间来回移动。移动的周期为一年。这样就造成了地球各地正午太阳高度和昼夜长短的季节差异,从而形成四季(图2)。
![地球各地正午太阳高度和昼夜长短的季节差异 地球各地正午太阳高度和昼夜长短的季节差异](http://www.sinaimg.cn/IT/2011/0607/U1235P2DT20110607143133.png)
地球各地正午太阳高度和昼夜长短的季节差异
春分(3月21日或20日),太阳直射赤道,全球各地昼夜平分(假设地球没有大气的情况下),北半球春季开始(根据西方国家以二分二至为起点划分天文四季的方法,下同)。春分后,太阳直射点移向北半球。
夏至(6月22日或21日),地轴向着太阳方向倾斜,太阳直射北纬23°26′(正午太阳高度为90°)。北半球白昼最长,黑夜最短;越向北,白昼越长;至北纬66°34′以北地区,出现24小时都是白昼的有昼无夜的极昼现象,北半球夏季开始。夏至后,太阳直射点南移。
秋分(9月23日或24日),太阳直射赤道,全球各地昼夜等长(假设地球不存在大气的情况下),北半球秋季开始。秋分后,太阳直射点移向南半球。
冬至(12月22日或23日),地轴向着太阳相反的方向倾斜,太阳直射南纬23°26′。北半球白昼最短,黑夜最长;越向北、白昼越短,至北纬66°34′以北地区,出现24小时全是黑夜的有夜无昼的极夜现象,北半球冬季开始。冬至后,太阳直射点北移。
黄赤交角的存在,使太阳直射点在地球上发生周年变化,从而导致地球上产生赤道(0°纬度线),南、北纬66°34′,南、北纬23°26′五条具有典型天文意义的特殊纬线。其中,赤道是太阳直射隔半年一次,全年两次,终年昼夜平分的纬线。南纬66°34′为南极圈,北纬66°34′为北极圈。南、北纬23°26′是有无直射阳光的分界线,太阳直射点在这两条纬线之间来回移动,这两条纬线就叫回归线。南纬23°26′为南回归线,北纬23°26′为北回归线。
在天文学上,气候带划分是以正午太阳高度和昼夜长短天文因素为依据的。正午太阳高度最明显的界限是回归线,昼夜长短最明显的界限是极圈。于是,人们就根据南、北回归线和南、北极圈,把地球划分为北极圈以北的北寒带,北极圈与北回归线之间的北温带,北回归线与南回归线之间的热带,南回归线与南极圈之间的南温带,南极圈以南的南寒带等五个天文气候带(图3)。在地理学上,气候带的划分,是以热量(气温)为标准的,在地球表面存在海陆差异等因素的影响下,地理气候带的界限,就不会与纬度一致,热带的北界,也会偏离北回归线,但总是要以天文气候带为参照。这是因为地表获取热量都是以太阳辐射为基础的,因此相应的地理气候带的界限,不会偏离太远。
![天文五带 天文五带](http://www.sinaimg.cn/IT/2011/0607/U1235P2DT20110607143157.png)
天文五带
综合上述,所谓北回归线,就是太阳直射地球表面的最北界限线,又是天文热带和北温带的分界线。在北回归线上,每年夏至的晴朗正午,都能观测到“太阳当头照,立杆不见影”的景象。
地球上北回归线的位置不是固定不变,而是“漂移”的。现在惯称的北回归线纬度23°26′N,是23°26′21″.448N的约数,而23°26′21″.448N只是2000年的北回归线位置,是根据1976年国际天文学联合会的决定,于1984年开始采用的。北回归线位置的移动,是太阳、月球和行星对地球的“牵引”,而产生黄赤交角变化的结果。当黄赤交角变小时,北回归线南移,南回归线北移;反之,当黄赤交角变大时,北回归线北移,南回归线南移。北回归线南来北往的周期约为4万年,其变化幅度在22°02′~24°30′之间。目前,黄赤交角在逐年变小,大约每100年变47″,这种减少还会持续15000年,然后黄赤交角将转为增大。
(注):本文是根据刘南威先生《中国的北回归线标志》一书中的第一部分改写的,并做了部分删节。
改写: 广州市五羊天象馆何永杰