本次要讨论的是,春分是否真的是昼夜平分?
今日是春分,且春分点正好在午时,中午11点49分,接近正午,导致从日出到日落这段时间,太阳在纬度上微小的移动正好关于天赤道对称,其因为经过近12小时纬度的变化导致的日出、日落时间的长度变化几乎被抵消(假设春分点在凌晨0点01分,那么到了春分这天的23时59分,实际太阳已经运行到了北纬0.4度左右,导致春分这天总体太阳平均赤纬在北纬0.2度,昼长夜短现象自然发生),所以今年的春分讨论该问题,误差尤其小。
下面看一组今天中午(春分点附近)截取的三座不同纬度城市的日出、日落时间图:
从该图可以看出,位于赤道附近的新加坡——理论上没有四季之分,一年中的每一天,日照时间都几乎相同,都应该几乎是标准的12小时。而我们理解上的昼夜平分就应该是太阳在地平线以上和地平线以下的时间都是对称的12小时(这里忽略太阳非点而是圆面的影响),然而新加坡的日出到日落的时间,也就是定义白昼时间是12小时7分,与我们假想中的标准12小时有着7分钟的误差,这个误差是非常明显的,以至于不能忽略。那这多出的7分钟是怎么来的呢?其实是因为大气折射的缘故,我们在地平线附近看到的太阳是虚像,因为阳光从真空射进浓密的大气,会发生偏折,就像我们初中物理课上讲过的一束光从空气中照进水中发生偏折的道理一样。导致实际上太阳在地平线以下50角分(接近1度)时,我们已经可以在地平线上看到太阳的虚像了,而一天1440分钟,太阳一天转360度,每转1度,需要4分钟,多转两次50角分(日出、日落)自然多出接近7分钟,而如果没有大气,则看到太阳位于地平线以上的时间,是几乎标准的12小时。(这里需要注意地球自转周期T为23小时56分4秒,而非24小时,之所以造成一天24小时,是由于地球同时自西向东发生自转和公转,公转周期t为365.2422天,可以想象下,如果地球不自转,围绕太阳公转一圈,也会经历一次日出日落,所以实际看到太阳在天空转360度的时间T0=1/(1/T-1/t)=24h,等同于排除椭圆轨道因素后的行星会合周期的计算公式)
由上可知,春分时我们看到的昼夜并不相等,而是昼长夜短,在春分前几天,大约3月15号左右,上海地区呈现目测意义下的昼夜均等,然而赤道地区会长期呈现昼比夜长13-14分钟。
那么再看后面两张图,春分日位于北纬31度的上海昼长为12小时9分,位于北纬68度的俄罗斯摩尔曼斯克昼长更是达到了12小时19分,呈现纬度越高,春分日白昼越长的现象,这该如何解释呢?
根据前面所说,太阳的地平线以下50角分即可看到“日出”,而仔细观察过太阳运行轨迹的朋友,肯定会注意到,只有春分、秋分那天太阳才是正东方升起,正西方落下,而且一年中的任意一天都不是直升直落,而是日出时向西南方向斜着升起来,其轨迹与地平线呈现一个夹角,这个夹角的大小与当地纬度之和等于90度,比如上海在北纬31度,那么在春分日我们看来,太阳位于正东方升起,接着向右上方移动,太阳轨迹与地平线夹角等于59度,那么自太阳出现在地平线以下50角分(可见到的临界点)开始,至到达地平线,则转动了50'/sin59°,该转动角度换算成需要的时间,就是7min/sin59°=8分10秒,这里与9分有点误差,可能是手机天气软件只精确到1分钟,精确度不够导致的。为了进行验证,再对误差较小的北纬68度的摩尔曼斯克日出时间进行计算,即7min/sin22°=18分41秒,与多出的19分非常接近,故可解释纬度越高的地区,春分日昼长夜短趋势更明显的原因。