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黄赤交角

黄赤交角(又名:黄道交角)是地球公转轨道面(黄道面)与赤道面天赤道面)的交角,也称为黄赤大距。地球的黄赤交角为约为23°26'。黄赤交角并非不变的,它一直有微小的变化,但由于变化较小,所以短时间可以忽略不计。

地球公转的轨道面(黄道面)和地球赤道面的夹角是黄赤交角。黄赤交角存在缓慢的变化,这是由于春分点位置的变化产生的。黄赤交角变化的范围在22°00′得到24°30′,变化的周期约为4.1×10^4年。上次黄赤交角最小值约距今2.8万年。近期计算黄赤交角的公式为:

黄赤交角=23°27′8.26″-0.4684″t,其中t是1900年起算的儒略年数。黄赤交角正以每世纪约为46.84″的速度减少。2013年1月0日12正时(2013.0)的黄赤交角为23°26′15.3308″ [1]

地球的自转轴(地轴)与其公转的轨道面成66°34′的倾斜。地球的自转同它公转之间的这种关系,天文学和地理学上通常用它的余角(23°26′),即赤道面与轨道面的交角来表示;而在地心天球上,则表现为黄道与天赤道的交角,并被称为黄赤交角,又称"黄赤大距"。黄道与天赤道的两个交点,叫白羊宫(白羊座)第一点和天秤宫(天秤座)第一点,在北半球分别称为春分点和秋分点,合称二分点。黄道上距天赤道最远的两点,叫巨蟹宫(巨蟹座)第一点和摩羯宫(摩羯座)第一点,即北半球的夏至点和冬至点,合称二至点。二至点距天赤道23.43°,称黄赤大距,是黄角交角在地心天球上的表现。

黄赤交角在天球上也表现为南北天极对于南北黄极的偏离。天轴垂直于赤道面,黄轴垂直于黄道面,既然黄赤交角是23.43°,那么,天极对于黄极的偏离,必然也是23.43°。

黄赤交角的存在,具有重要的天文和地理意义。前已述及,黄赤交角是地轴进动的成因之一;它还是视太阳日长度周年变化的主要原因。黄赤交角是地球上四季变化和五带区分的根本原因。

地球自转产生的赤道面与地球公转产生的黄道面之间的夹角为黄赤交角。由于地球公转时斜着身子,地轴与黄道面的夹角(66°34′)基本不变,地轴的空间指向(指向北极星附近)基本不变,故黄赤交角(23°26′)也基本不变。

黄赤交角的存在,使太阳直射点到达的最北界线是23°26′N,即北回归线;最南界线到23°26′S,即南回归线,也就是太阳直射点在 23°26′S~23°26′N作周年往返移动。因此地表获得热量随时间和空间发生变化。这样的变化用昼夜长短和正午太阳高度的时间和空间变化来表示。假设黄赤交角变大,那么太阳的直射点的位置也会相应变动,直射点会超过最北及最南界限(23°26′),导致热带变大。极线(66°34′)就会扩大,因此地表获得热量随时间和空间发生变化。从而使寒带范围增大。既然极地范围的增大,那么极昼的范围也会相应增大。

⒉在地球上某个特定地点,根据太阳的具体位置所确定的时刻,称为“地方时”。不同经度的地方时是不一样的。

而区时是以每15°经度间隔划分为一个时区,以每个时区中央经线的地方平太阳时为本时区的区时,比如北京与天津在地理位置上相距很近,但地方时是不一样的,北京的时间要比天津的晚。但为了方便两地都会统一采用东八时区的区时即我们所说的北京时间。

⒊地球上每15°经度范围作为一个时区(即太阳1个小时内走过的经度)。这样,整个地球的表面就被划分为24个时区。各时区的“中央经线”规定为0°(即“本初子午线”)、东西经15°、东西经30°、东西经45°……直到180°经线,在每条中央经线东西两侧各 7.5°范围内的所有地点,一律使用该中央经线的地方时作为标准时刻。“区时系统”在很大程度上解决了各地时刻的混乱现象,使得世界上只有24种不同时刻存在,而且由于相邻时区间的时差恰好为1个小时,这样使不同时区间的时刻换算变得极为简单。因为时区的划分使每个时区之间只相差一小时,所以时区差就等于时差了。

⒋算出中央经线的作用很多,就拿时间来说,算出中央经线就可以推算出所在时区。 [2]

黄赤交角的大小决定了太阳直射点回归运动的范围,即南北回归线的纬度,也决定了地球上五带的范围。若黄赤交角变大,则热带和寒带的范围变大,温带的范围缩小。

黄赤交角的大小决定着各地昼夜长短的比例。以夏至日的北半球为例,当黄赤交角变大时,北半球的昼变长夜变短(有极昼现象的地区除外),也就是昼夜的差距扩大了;当黄赤交角变小时,北半球的昼变短夜变长(有极昼现象的地区除外),也就是昼夜的差距缩小了,即:各地一年中昼长的年变幅随黄赤交角的增大而增大、减小而减小。由于正午太阳高度和昼夜长短在一年中作有规律的变化,产生了四季的更替,并影响着五带的范围。

黄赤交角除对地球运动的意义产生影响外,还深刻影响着与其紧密联系的其他自然地理现象。如:黄赤交角变化→太阳直射点移动范围变化→五带范围变化和气压带、风带移动范围变化→气候带分布范围变化→自然带分布范围变化等。

正确理解太阳直射点的移动规律

1 探究方法:

把学生分成小组,并给每组学生提供地球仪一个,手电筒一个。一次性给出三个命题和10分钟左右的时间,大胆放手,让学生展开想象,合作交流。期间老师巡视,参与其中一组的交流讨论,以便于掌握学生思维的过程和存在的错误。

⑴假设黄赤交角为0度:学生用电筒和地球仪演示,画出地图,得出结论:太阳直射点沿着赤道移动,其余各地没有直射机会。

⑵假设黄赤交角为45度:学生演示推理,得出结论:太阳直射点在南北纬45度之间移动,全球有一半纬度的地方有直射机会。

⑶假设黄赤交角为90度:学生让地球仪躺着运动,得出结论:太阳直射点在南北极之间移动,全球各地均有直射机会

2 错误类型:

⑴有些学生认为直射点固定在某一点上,忘记了直射点会随地球自转而移动。应该是演示时只让地球公转了。

⑵令人大吃一惊的是有学生以为直射点处有阳光照射,其余地方则没有阳光照射,气温太低。也许是用电筒的缘故吧。

3 探究效果:

三种假设探究完毕以后,学生可以自然的得出结论:太阳直射点移动的原因是由于存在黄赤交角,而黄赤交角的度数决定了南北回归线的度数,所以黄赤交角的大小决定了直射点移动的范围。最后结合动画演示黄赤交角为23°26′时,太阳直射点的移动情况和二分二至的位置和时间,学生很容易就明白了。

正确理解正午太阳高度角和昼夜长短变化规律

1 探究方法:

1)给出地球仪、手电筒和投影机的光源,让学生准备一些纸带模拟晨昏线。假设黄赤交角为0度,探讨正午太阳高度角和昼夜长短的变化情况,并与黄赤交角为23°26′的情况进行比较。期间给学生看动画演示。

⑴观察:学生用光源照射地球仪,使之直射赤道,用纸带模拟晨昏线,得出各地昼夜长短相同的结论。

⑵思考:各地正午太阳高度角的分布规律,画图分析

⑶比较:让地球仪倾斜到大约是黄赤交角的度数,用光源分别直射南北半球,放上晨昏线,比较各地昼夜长短情况,并注意南北半球的区别。

⑷学生总结:假设黄赤交角为0度,各地的正午太阳高度角不变,各地的昼夜长短不变,就像黄赤交角为23°26′时的春、秋分一样。

2)进一步问题探究:在黄赤交角为23°26′的情况下,正午太阳高度角和昼夜长短的变化有哪些规律呢?给出自学时间,提出如下问题:

①正午太阳高度角的变化:北京(40°N,116°E)哪一天正午太阳高度最大,东莞呢(22.6°N,113.5°E)?(分别举了北回归线以北的北京和北回归线与赤道之间的东莞本地为例,目的是为了接近生活,并有利于把结论从个别引向一般)

②昼夜长短的变化

⒈北京哪一天白昼最长,东莞呢?想一想路灯开关的时间一年中有变化吗?东莞和北京的路灯开关时间一样吗?(第一问明确基本规律,第二问走进生活用规律,第三问分析不同纬度地区昼夜长短的分布规律和变化幅度)

⒉在中国去哪里看极光较好?什么时候去最合适?衣着上要注意什么?(此问为了解决极昼极夜问题而设计,并与生活紧密相连)

3)得出结论:学生发言,并结合动画演示和生活实际,对学生的结论加以评述引申,得出一般规律。

2 常见错误:

1)正午太阳高度往往认为都是90度;

2)回归线之间地区正午太阳高度的最大值的时间与昼最长的时间容易混淆,如东莞市昼长最长在夏至,但有学生以为正午太阳高度角最大也在夏至。

3 探究效果:

在假设黄赤交角为0度的探讨中,学生通过动手演示,画图分析,明白了没有黄赤交角就没有正午太阳高度和昼夜长短的变化,且通过许多与生活息息相关相关的问题的探讨明确了正午太阳高度和昼夜长短的变化规律,使这个深奥的问题变得浅显易懂。

理解季节更替和五带范围的成因

1 探究方法

1)假设黄赤交角为零度:

根据上面对于直射点的移动、正午太阳高度角和昼夜长短的变化规律的探究,学生很容易发现地球上将不再有季节的更替。再与黄赤交角为23°26′时比较,学生很容易就明白了季节更替的原因。

五带的划分也应和如今不同。学生提出的划分方案较多,我觉得较为合理的是:热带的范围在南北纬20度之间,温带范围在南北纬20度到50度,寒带范围则在南北纬50度以外。这样寒带的范围大大增加,使地球的气候发生重大变化,这些都给后续的探究打下了基础。

2)假设黄赤交角22度和24.5度:

这是黄赤交角实际变化的范围(四万年一个周期),所以拿出来让学生讨论它对五带的影响。通过这个探究,学生理解了五带的划分原则,知道了黄赤交角的变化对五带范围的影响。

2 常见错误:

学生开始不知道回归线和极圈的关系,以为黄赤交角只影响热带和温带的范围。

3 探究效果:

通过假设黄赤交角为0度及其变大变小的探讨,学生明白了季节形成的根本原因,五带划分的依据,各带的特点,以及黄赤交角变化对五带范围的影响。

初步形成地球是一个整体的意识

1 探究方法:

假设黄赤交角为0度,会对地球产生哪些影响?

发动学生大胆想象,假设推理,把热量、风向、气候、生产、生活等内容联系起来思考。

2 探究结果:

1)由于没有了黄赤交角,全球的气候将发生重大变化,气候类型会改变。有些气候类型,如地中海气候,热带草原气候等由于气压带风带移动形成的气候会消失;季风气候会改变,可能在中高纬度形成陆地吹向海洋的“冬季风”,中低纬度地区会形成由海洋吹向陆地的“夏季风”,引起中高纬度地区的干旱和中低纬度地区的洪涝,从而影响农业生产。

2)由于五带范围的变化,热量的分布情况发生改变,进一步影响农业的生产。如寒带范围加大,中国的粮食主产区华北平原和东北平原热量不足,将不再适宜小麦生长,从而使粮食生产面积缩小,引起人口向中低纬度地带迁移。当这种情况在世界上蔓延时会引发土地和资源的争夺甚至战争。

3)由于没有了季节更替现象,北温带地区少了天然的杀虫剂——冬季的严寒,引起虫灾加重。南方由于高温持续不断,病菌孳生,导致禽流感等增加。

4)当黄赤交角为0度时,地球站立起来了,人们观测星空的角度发生了很大改变,现有的星图要改版。 [3]

黄赤交角变化的影响

黄赤交角大小决定太阳直射点回归运动的范围,进而使各地正午太阳高度和昼夜长短在一年中作有规律的变化,产生四季更替,并影响着五带的范围。当黄赤交角度数发生变化时,这些地理现象便会发生相应的变化,图1表示黄赤交角增大(地轴黄道面夹角减小)后产生的一系列变化。

如图2所示:若黄赤交角增大a度,回归线度数变为23°26′+a,太阳直射范围向南、北各扩展a度;极圈度数变为66°34′-a,极昼(夜)区域各向较低纬推进a度;热带范围增大2a度,南、北寒带各扩大a度,南、北温带各减小2a度。

设某地地理纬度为定值A、回归线度数(黄赤交角度数)为变数a,不同区域正午太阳高度年变化幅度为:①南、北回归线之间,各地年正午太阳高度最大值为90°、最小值为90°-(A+a),变化幅度为A+a;②回归线和极圈之间,各地年正午太阳高度最大值为90°-(A-a)、最小值为90°-(A+a),变化幅度为2a;③极圈以内,各地年正午太阳高度最大值为90°-(A-a)、最小值为0,变化幅度为90°-A+a。可见,全球各地正午太阳高度年变化幅度都与黄赤交角度数呈正相关,随黄赤交角(a)增大而增大、减小而减小,只是不同区域增减的幅度不同。

对其它自然现象的影响

黄赤交角变化除对地球运动意义产生影响外,还深刻影响着与其紧密相关的其它自然地理现象。例如,黄赤交角变化→太阳直射点移动范围变化→五带范围变化和气压带、风带移动范围变化→气候带分布范围变化→自然带分布范围变化等等。 [4]

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