这是太阳在整个一年中怎样在天空中移动的

资深撰稿人 Ethan Siegel

资深撰稿人 Starts With A Bang

Jan 1, 2019, 10:00am

从一声爆炸开始

  宇宙就在那里,等待着你去发现它。

一张在每天同一时间拍摄的太阳照片将产生这里看到一个被称为地球仪8字曲线的视觉图案。这个被挤压的8字形状是由于地球在空间中的轨道的变化因素造成的。CÉSAR CANTÚ / ASTROCOLORS

    在一天中的任何时候, 理论上你都可以设置一个相机来拍摄囊括太阳在天空中的明显位置的风景照片。如果你24小时后在第二天的同一时间回来, 你会发现太阳已经从来略微的变化了它的的位置。如果你在整整一年的时间里每天都这样做, 你会发现两件重要的事情:

    1 随地球从一年前回到了它轨道上的同一点,太阳会已经回到它的起点。

    2 你跟踪出来的形状看起来像一个8字图, 有一个圆圈比另一个圆圈更大: 一个被称为我们的地球仪8字曲线的形状。

    地球每年绕太阳运行一圈的事实解释第一部分。但太阳在它的特殊的地球仪8字曲线形状中的运动是由于一个深层次原因的综合。让我们找出为什么。

地球的旋转轴显示它在环绕太阳的轨道上。我们太阳系中的所有世界都有要么由它们的轴向倾斜、轨道的椭圆性要么由两者的结合决定的季节。WIKIMEDIA COMMONS USER TAUOLUNGA

    太阳表观运动的第一个主要贡献者是地球在绕太阳运行时倾斜在它的轴线上。地球的轴向倾斜约为23.5°, 确保在不同位置的观测者全年都能看到太阳到达地平线以上的更高或更低位置。当你的半球向太阳倾斜时, 太阳的最大位置会更接近天顶, 而当你的半球被倾斜开时, 太阳的最大位置就会离天顶更远。

     当你的半个世界被朝向我们的母星倾斜时, 太阳穿过天空的路径就会显得更长, 上升得更高, 给我们比平均更多的日光时间。轴向倾斜是地球上季节的原因, 也解释了为什么夏至与冬至一天的长度和特征有如此大的差异。

太阳在日至上穿过天空的明显路径在赤道附近有广大的不同, 在纬度20度 (左) 对在远离赤道的70度 (右)。从后一个位置看, 冬至期间永远看不到太阳, 因为轴向倾斜大于与来自极点的纬度差。WIKIMEDIA COMMONS USER TAUOLUNGA

    一般来说, 在整个地球上, 太阳似乎在天空的东部上升, 高高地上升到赤道方向, 然后向下落在西方。如果你在现场:

    在南纬23.5度以南, 六月的日至标志着太阳在天空中的最短、最低的路径, 而12月的日至标志着最长的、最高的路径。

    在北纬23.5 度以北, 12月的日至标志着太阳在天空中最短、最低的路径, 6月的日至标志着最长的、最高的路径。

在两个热带地区之间 (在南纬23.5 度和北纬23.5 度之间) 之间, 太阳将在两天内从一个日至直接从头顶经过。

    从任何位置, 如果你要跟踪太阳全年的位置------比如通过针孔相机------这就是你会看到的。

太阳穿过天空从冬至到夏至的观测路径可以用一个针孔相机跟踪。最低的路径是冬至, 其中太阳的路径相对于地平线下降到更低到逆反上升到更高, 而最高路径与夏至相对应。REGINAVALKENBORGH / WWW.REGINAVALKENBORGH.COM

    但太阳似乎并不只是以对称的形状在天空中升起和降落。日落和日出时间全年变化的。随着季节的变化, 太阳在不同的时间达到了最高点, 而不仅仅是每天的中午。

    造成这种情况的主要原因是由于太阳全年明显运动的第二个主要贡献者: 地球绕太阳运行的轨道是椭圆形的, 而不是圆形的。

    在椭圆中运行并不只是意味着地球在其轨道的某些点距离太阳更近或更远。根据开普勒的第二定律, 它还意味着当地球接近太阳 (近日点) 时, 它拥有一个更快的轨道速度, 当地球远离太阳 (近日点) 时, 它拥有一个更慢的轨道速度。

由于角动量的守恒, 行星在它们的轨道上做它们的稳定运动。由于无法获得或失去角动量, 它们留在它们的椭圆轨道上进入未来任意远的地方。地球每年1月3日左右都会与太阳最接近, 而在7月初离太阳最远。NASA / JPL

    这本身不会做出太大区别, 但现在我们需要增加另一个因素: 地球并不在它的轴线上每24小时旋转一圈。相反, 地球刚好在23小时56分钟内做出一个全360°的旋转，一天需要 2 4小时, 因为它用那些额外的4分钟才能 "赶上" 地球在它绕太阳运行的轨道上已经旅行的距离量。

    在平均一天, 当地球以它的平均速度环绕太阳移动时, 2 4小时是恰到好处的。但当地球移动得更慢 (接近近日点) 时, 2 4小时对于太阳返回到它的同一位置来说太长, 因此太阳的移动速度似乎比平均要慢。同样, 当地球移动得更快 (接近近日点) 时, 2 4小时对太阳回到它开始的地方还不够长,因此它的移动速度比平均水平要快。

我们轨道的椭圆性质 (左) 和我们的轴向倾斜 (中间) 对太阳在天空中的位置的影响结合在一起来创造这个我们从地球上观察到的地球仪8字曲线形状 (右。AUTODESK GENERATED IMAGE VIA THE UK

    如果我们只有轴向倾斜来对抗, 而我们的轨道是一个完美的圆圈, 太阳在天空中跟踪出的路径将是一个真正完美的8字图: 关于水平轴和垂直轴对称的。

    如果我们生活在一个有一个椭圆轨道没有倾斜的行星上, 太阳穿过天空的路径将只是一个椭圆: 在那里偏心度对太阳如何运动将是唯一的贡献者。这就是在木星和金星上大致发生的事情, 那里的轴向倾斜是可以忽略不计的。

    但在地球上, 我们既有椭圆轨道也有一个明显的轴向倾斜, 因此这两种影响都很显著的。特别是, 当我们把它们结合起来的时候, 我们能立即看到为什么我们的地球仪8字曲线看起来像一个一边被捏住的 "8"字一样。

随地球在其轴线上旋转并以椭圆绕太阳运行, 太阳的表观位置似乎会以这种特殊的地球仪8字曲线形式每天变化。GIUSEPPE DONATIELLO / FLICKR

    在地球上, 近日点发生在 1月3日: 刚好12月冬至后2周。由于我们的星球是以接近12月日至最快速度运动的, 这使得地球仪8字曲线的 "更低" 一侧 (从北半球) 比 "上侧" 一侧要大得多, 后者与7月初和6月日至的远日点巧合。

    总之, 我们能结合这些效应来做出一个从地球上的任何位置来看在任何特定时间都能得出太阳的位置的方程。我们把这个推导出的量称为时间的方程。

时间方程是由一颗行星轨道的形状和它的轴向倾斜以及它们如何对齐决定的。在最近6月的几个月里 (当地球接近近日点时离太阳最远的位置), 它的移动速度最慢，这就是为什么这一段的地球仪8字曲线出现被挤压了的, 而12月的日至, 发生在近日点附近, 是拉长的。WIKIMEDIA COMMONS USER ROB COOK

    总之, 在每天同一时间从地球看到的决定太阳路径形状的只是轴向倾斜和椭圆度。地球的地球仪8字曲线是固定在这个特殊的形状中的。

    但在确定地球仪8字曲线的确切方向方面还有两个因素在起作用。一个是你在地球上的位置: 来自北半球的观察者会看到小的地球仪8字曲线环出现在天空的高处, 大的环出现在更低的天空中, 而南半球的观察者会看到相反的情况。

如果你每天中午给太阳拍照, 你的地球仪8字曲线就会出现完全垂直 (左)的。中午之前 (右上角), 地球仪8字曲线似乎朝向地平线逆时针旋转, 而中午后, 它似乎相对于地平线顺时针旋转。对于任何质疑者来说, 这些图像进一步证明了地球是圆的。THE SYDNEY MORNING HERALD

    另一个是你在一天中的什么时候拍照的。如果你每天拍一张照片:

    中午, 当太阳达到最高峰时, 地球仪8字曲线会出现完全垂直的样子。

    中午之前, 在太阳达到最高峰之前, 地球仪8字曲线似乎会从中午的位置逆时针旋转。

    中午后, 太阳到达高峰后, 地球仪8字曲线将从正午位置顺时针旋转。

    你能从检查塞萨尔·坎图的全年52张图片合并中告诉, 他从他的墨西哥的纬度在下午晚些时候拍摄了太阳。

在全年365天的时间里, 太阳似乎不仅在天空中由我们的轴向倾斜决定的上下移动,而且是由我们围绕太阳的椭圆轨道的前和后决定的。当这两个效果结合在一起时, 得到的被挤压的8字图被称为一个地球仪8字曲线。这里显示的太阳图像是从墨西哥的塞萨尔坎图在一个日历年中观测的52张照片中选出的。CÉSAR CANTÚ / ASTROCOLORS

    很容易看出, 最上面的点与夏至相对应, 而最低点对应于冬至, 但从地球上看到的太阳地球仪8字曲线中的 "交叉点" 并没有特殊的天文意义。大约在4月14日和 8月30日发生, 这些日期只由我们的季节、由我们星球绕太阳运行的轨道轴向倾斜对齐的方式决定。

    如果我们的近日点和远日点与春分对齐而不是与日至对齐, 我们就会有一个泪滴形的地球仪8字曲线, 而不是一个8字图, 这就是太阳从火星上出现的方式! 地球仪8字曲线是随着时间推移从太阳跟踪出来的美丽、自然的形状, 在我们的轨道和轴向倾斜的规制下创造了一个8字图。享受太阳通过我们的天空运动的它的独特的宇宙旋转, 由于我们的星球的独一无二的通过太空的运动!

  我是一位哲学博士、作者和科学传播者,在不同的大学里专业物理学和天文学。自2008年以来,我为我的从一声爆炸开始博客赢得了无数的科学写作奖,包括由博士协会颁发的《最佳科学博客》.....

  天体物理学家和作者爱善西格尔是从一声爆炸开始的创始人和主要作家!他的书迁徙术和超越银河在任何售书的地方都可以买到。

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2019/01/01/this-is-how-the-sun-moves-in-the-sky-throughout-the-year/#5835f56d7303