第八講 四季和五帶(華銳學院)

第四章地球運動的地理意義

第八節(jié)

四季和五帶

地球之上形成四季和五帶的根本原因是黃赤交角。由于黃赤交角的存在，地球公轉(zhuǎn)運動表現(xiàn)為太陽相對于天赤道的回歸運動（直接原因）。

由于黃赤交角的存在，太陽在周年運動的同時，還表現(xiàn)為相對于天赤道的往返運動。具體地說，天球上的太陽，半年在天赤道以北，半年在天赤道以南。太陽的這種運動，是其周年運動的另一個側(cè)面，稱為太陽回歸運動。它在天球上所能到達的南、北界線，稱為南、北回歸線?；貧w運動的周期便是回歸年。一、太陽的回歸運動1、太陽回歸運動和太陽赤緯的變化

太陽相對于天赤道的回歸運動，也表現(xiàn)為太陽直射點對于地球赤道的往返運動：半年直射在北半球，半年直射在南半球；半年向北移動，半年向南移動。太陽的回歸運動

有關(guān)概念回歸運動回歸運動的表現(xiàn)太陽赤緯的周年變化直射點緯度的周年變化γPK回歸線回歸運動周期——回歸年太陽回歸運動的表現(xiàn)太陽赤緯直射點位置春分點—秋分點秋分點—春分點冬至點—夏至點夏至點—冬至點0°～＋23°26′～0°

赤道-北回歸線-赤道南回歸線－北回歸線北回歸線－南回歸線γPK赤道-南回歸線-赤道0°～－23°26′～0°

－23°26′～＋23°26′

＋23°26′～－23°26′

地球上晝、夜兩半球的分界線叫晨昏圈。晨昏圈是地球的一個大圓。晨昏圈隨著太陽直射點的南北移動，晨昏圈便在南、北極兩側(cè)擺動，擺動的幅度也是23°26′。在這個緯度范圍內(nèi)，該區(qū)域出現(xiàn)特有的天文現(xiàn)象——極晝和極夜，故南、北緯66°34′的兩條緯線，被稱為南、北極圈。陽光陽光

太陽回歸運動的主要表現(xiàn)，在于太陽赤緯的周年變化。任何時候，太陽赤緯總是等于太陽直射點緯度。在天文學上中國的二十四氣和西方的黃道十二宮都是以太陽黃經(jīng)來相互區(qū)別的，而地理上，黃道上的二十四點之間是以太陽赤緯來區(qū)別的，即太陽在黃道上的位置不同，它的赤緯也不同，因此太陽的回歸運動定量地表現(xiàn)為太陽赤緯的周年變化。天體的周日圈，就是該天體所在的赤緯圈。因此，天體赤緯的變化，意味著它的周日圈的改變。不同赤緯（或周日圈）的天體，有不同的出沒時刻（與方位）和中天高度。

太陽赤緯的變化，影響各地的晝夜長短和正午太陽高度的大小，二者都是季節(jié)變化的主要因素。

太陽的赤緯隨其黃經(jīng)而變化。不同的太陽黃經(jīng)總是與一定的太陽赤緯相對應(yīng)，其大小可以用解球面三角形的方法計算得出。

如圖，P為天北極，K為黃北極，S為沿黃道運行的太陽，其黃經(jīng)為λ，赤緯為δ。︵︵在△PKS中，

PK=ε=23°26′（黃赤交角）

KS=90°∠K=90°－λ天赤道、黃道和太陽所在赤經(jīng)圈，構(gòu)成一個直角球面三角形，其中的直角就是天赤道與赤經(jīng)圈的交角。

球面三角形任一邊的余弦，等于其它兩邊余弦的乘積，加上這兩邊的正弦及其夾角余弦的連乘積。

方法一：球面三角形邊的余弦公式法cosa=cosbcosc+sinbsinccosA

在△PKS中，把數(shù)值帶入余弦公式，即cos(90°-δ)=cosεcos

90°+sinεsin90°cos(90°-λ)化簡，即sinδ=sinεsinλ

=sin23°26′sinλ

又根據(jù)查表（余弦表）知，

sin23°26′=0.3977得，sinδ=0.3977sinλ或sinδ=0.4sinλ

球面三角形各邊的正弦與其對角的正弦成正比。

方法二：球面三角形邊的正弦公式法sina／sinA=sinb∕sinB=sinc∕sinC在Rt△^Sδ中，帶入正弦公式，即

sinδ／sinε=sinλ∕sin90°化簡，即sinδ∕sin23°26′=sinλ又根據(jù)查表（正弦表）知，

sin23°26′=0.3977得，sinδ=0.3977sinλ或sinδ=0.4sinλ根據(jù)公式：sinδ=0.4sinλ

根據(jù)太陽黃經(jīng)（λ），便可求出對應(yīng)的太陽赤緯（δ）節(jié)氣黃經(jīng)陽歷日期赤緯節(jié)氣黃經(jīng)陽歷日期夏至90°6月21、2223°26′夏至90°6月21、22立夏45°5月5、616°19′立秋135°8月7、8春分

0°3月20、210°秋分180°9月23、24立春315°2月4、516°19′立冬225°11月7、8冬至270°12月21、2223°26′冬至270°12月21、222、太陽回歸運動與地球公轉(zhuǎn)地球自轉(zhuǎn)方向向東，地球公轉(zhuǎn)方向也向東，但此東與彼東的方向有23°26′的差異。我們把地球自轉(zhuǎn)方向視為正東，那么，地球的軌道運動除向東外，還有其南北的分量。正是這個南北分量，造成太陽回歸運動。在每年的夏至日（北半球），太陽直射點落在地球的北回歸線上。反之，在每年的冬至日（北半球），太陽直射在地球的南回歸線上。每年的春秋二分日（北半球），地球位于軌道南北兩端的中點。這時，太陽相應(yīng)地位于黃道上的升分點和降分點，直射在地球的赤道上。

從每年的南至日到次年的北至日，地球從軌道上的最北點移到最南點，行程約為470000000km（軌道周長的一半），兩點間的直線距離約300000000km（軌道平均直徑），其中有向南分量為300000000km×sin23°26′=120000000km。在這期間，太陽在天球上相應(yīng)地從黃道的南至點移到北至點，其赤緯從-23°26′

變?yōu)?3°26′；太陽直射點從地球上的南回歸線移到北回歸線。

反之，從每年的北至日到南至日，地球經(jīng)過相應(yīng)的行程，從軌道的最南點移到最北點。在此期間，太陽從黃道的北至點移到南至點，赤緯由23°26′減為-23°26′；太陽直射點由北回歸線移至南回歸線。

總之，太陽相對于天赤道的回歸運動，是地球公轉(zhuǎn)的南北分量造成的。

120000000km的南北分量，造成太陽赤緯23°26′×2＝46°52′的變化。這就是說，地球在其軌道的南北方向上，每改變700余km，太陽赤緯就改變1″。按照這個速度，在春秋分前后，太陽赤緯每分鐘增減約1″。這時，地球公轉(zhuǎn)的南北分量最大，約為30×sin23°26′=12km/s，即720km/min。

晝夜產(chǎn)生的原因：地球是個不透明體，在太陽光的照射下，向陽的半球是晝半球，背陽的半球是夜半球。晝夜兩半球的分界線叫晨昏線。

晝夜更替的原因：因地球自轉(zhuǎn)造成。（公轉(zhuǎn)）

晝夜長短變化的原因：因地球公轉(zhuǎn)造成。二、晝夜長短1、晝夜長短概說晝夜長短現(xiàn)象的產(chǎn)生——取決于晨昏圈與緯線的分割狀況。當太陽直射點落在赤道（春秋二分）時，晨昏圈通過兩極（與經(jīng)圈重合），等分所有緯線。因此，全球各地晝夜等長。北至日，太陽直射點移至北回歸線，晨昏圈偏離兩極，與南、北極圈相切。這時，晝弧與夜弧的分割最為懸殊。如下圖所示：北半球（太陽直射的半球）各緯度晝最長而夜最短；南半球相反。北半球的晝長和南半球的夜長，皆隨緯度增高而增大。到北極圈內(nèi)，緯線全線是晝弧，晝長達24小時，“夕陽”連著“朝輝”，終日太陽不落，稱為極晝。在南極圈內(nèi)，緯線全線位于夜半球，24小時漫漫長夜，終日不見太陽，稱為極夜。赤道是唯一保持晝夜等長的地方。從幾何上說，赤道和晨昏圈都是地球的大圓；兩個大圓相交，必相互等分。南至日，太陽直射南回歸線，南北兩半球的晝夜長短與北至日相反。在天文學上，晝弧和夜弧的大小，是以解球面三角形的方法計算的。

在天球上，晝弧和夜弧表現(xiàn)為太陽周日圈被地平圈的分割：周日圈位于地平圈以上的部分是晝??；地平圈以下的部分是夜弧。具體的計算方法是，求日沒時的太陽時角（t），即半晝弧長度；半晝弧的二倍即為晝弧，晝弧的共軛量就是夜弧。

cost＝-tg

tgδ（半晝弧公式）

在△ZPS中，

ZP=90°－

PS=90°－δZS=90°︵︵︵

式中t為半晝弧，即日落時的太陽時角；

為地理緯度；δ為太陽赤緯，即太陽直射點的地理緯度。

、δ皆以北半球為正、南半球為負。該式表明，決定晝夜長短有兩個因素：當?shù)氐牡乩砭暥?/p>

和當時的太陽赤緯δ（即太陽直射點緯度）。前者是空間因素，即地理因素；后者是時間因素，即季節(jié)因素。簡言之，晝夜長短因緯度而不同，因季節(jié)而變化。該公式的幾何意義是：太陽赤緯（δ）的變化，表示其周日圈的改變。不同的周日圈被地平圈分割的情形各異：赤緯愈高，周日圈愈小，晝弧與夜弧的差異就愈大。地理緯度（

）的不同，決定周日圈對于地平圈傾角（90°－

）的大?。壕暥扔?，周日圈愈傾斜，晝夜長短的變化愈顯著。依據(jù)半晝弧公式討論如下：（cost＝-tg

tgδ）（1）晝夜等長的條件：t=90o，2t=180o=12時，則cost=0，tg

tg

=0，或

=0o或

=0o；（2）晝長夜短的條件：t>90o，2t>180o>12時，則cost<0，

、

同號，或同為“+”、或，為“-”；（3）晝短夜長的條件：t<90o，2t<180o<12時，則cost>0，

、

異號。（4）極晝（極夜）條件：

極晝條件：t＝180°（2t＝360°，晝長等于24小時），cost＝-1，tg

tgδ＝1，要求

、δ同號且互余，即

＝90°－δ的地方出現(xiàn)極晝。

極夜條件：t=0°（2t=0°，晝長為0小時），cost=1

tg

tgδ=-1，

、δ異號且互余，即

＝-（90°－δ）的地方出現(xiàn)極夜。上述

＝±（90°－δ）的兩條緯線與晨昏線相切，在天球上表現(xiàn)為太陽周日圈與地平圈相切。

在同一日期，太陽赤緯δ是個常數(shù)，也就是太陽直射點的緯度是一個常數(shù)，所以同一日期的晝夜長短因地理緯度

而不同。在不同日期，晝夜長短的緯度分布有不同情況，但有三條是全年共同的：2、晝夜長短的緯度因素（2）在太陽直射半球上，晝長夜短。高緯度（

≥90°－δ）地區(qū)有極晝，晝長達24小時。（3）在非太陽直射半球上，晝短夜長。高緯度相應(yīng)地區(qū)有極夜，晝長為零。（1）赤道上（

=0o

），全年晝夜等長。

＝0°，tg

＝0，∴cost＝－tg

tgδ＝0，t＝90°。所以，在赤道上無論太陽赤緯如何變化，全球晝夜等長。陽光陽光陽光φδφδ根據(jù)以上三條，除春秋二分日外，全球被分成四個緯度帶，即極晝、晝長夜短、晝短夜長和極夜四個地帶。

極晝、極夜地帶是以地球兩極為中心，以太陽赤緯為半徑的球冠地帶；

晝長夜短地帶和晝短夜長地帶以地球赤道為界，寬度為太陽赤緯的余角（90°-δ

）。晝長夜短地帶與極晝地帶相連，晝短夜長地帶與極夜地帶相連。

隨著太陽赤緯δ的變化，四個緯度地帶范圍會發(fā)生相應(yīng)地改變：太陽赤緯為正值（直射北半球）時，全球的晝長向北增加，極晝地帶位于北極地區(qū)；太陽赤緯為負值（直射南半球）時，情況相反。太陽赤緯的絕對值∣δ∣越大，則極晝（夜）地帶愈寬。

赤道上：終年晝夜等長；練習：當太陽赤緯為20°時，全球晝夜長短的緯度分布

北半球：晝長夜短，晝長隨緯度的升高而增長，在70°N以北地區(qū)出現(xiàn)極晝現(xiàn)象。

南半球：晝短夜長，晝長隨緯度的升高而縮短，在70°S以南地區(qū)出現(xiàn)極夜現(xiàn)象。

在同一地點，地理緯度

是常數(shù)，所以同一地點的晝夜長短，因太陽赤緯的變化而有季節(jié)變化（惟一例外的是赤道）。晝夜長短的季節(jié)變化，又因緯度而不同，但有三條是全球各地共同的：3、晝夜長短的季節(jié)變化（2）冬夏二至日，各地晝夜長短達到極端。是一年中晝最長、夜最短或者晝最短、夜最長的時候。（3）如果太陽是一個光點，如果大氣沒有折光作用，那么各地全年平均晝長相等，均為12小時。（1）春秋二分日，全球晝夜平分。晝長夜長均為12小時。陽光陽光陽光直射半球：晝長隨|δ|的增大而增大

非直射半球：晝長隨|δ|的增大而減小

1.是否位于直射半球2.太陽赤緯如何改變3.根據(jù)晝長與δ的關(guān)系做出判斷全球各緯度晝夜長短的季節(jié)變化都以二分、二至為界，全年分四個階段：（以北半球為例）晝夜平分、晝長夜短、晝夜平分、晝短夜長四個階段。

從每年的春分經(jīng)夏至到秋分為晝長夜短階段，秋分經(jīng)冬至至春分為晝短夜長階段，而春、秋二分為晝夜平分。南北極圈內(nèi)也可分為四個階段：極晝、晝夜分明、極夜、晝夜分明。它們持續(xù)的時間長短因緯度而不同，緯度越高，極晝、極夜持續(xù)的時間越長，晝夜分明時間越短。極點上，晝夜平分只在春秋二分，極晝極夜持續(xù)約半年時間，在南北極圈上，極晝極夜各有一日。晝夜長短的季節(jié)變化此圖表示南北兩半球極晝（夜）區(qū)的季節(jié)性擴大和縮小。圖中每個圓面分上下兩半，分別表示北極和南極地區(qū)。三個同心圓分別表示66

34

，69

44

和78

28

的三條緯線。這兩個日期太陽均直射北半球，對北京來說均是位于直射半球。從5月10日到6月10日太陽赤緯逐漸升高。根據(jù)直射半球晝長隨|δ|的增大而增大的規(guī)律，北京6月10日的晝長大于5月10日晝長。練習：比較北京（40°N）5月10日與6月10日的晝長除了地理緯度和太陽赤緯外，影響晝夜長短的還有三個次要因素。4、晝夜長短的其它因素

太陽視半徑——16′

太陽并不是一個光點，而是一個視半徑約為16′的圓面。我們知道，日出和日沒是以視太陽上緣的出沒為標準的，即以視太陽圓面與地平圈相切為標準的。因此，太陽出沒時，太陽圓面中心不在地平圈上，而在地平圈以下16′，當時太陽中心的天頂距不是90°，而是90°16′。

大氣折光——34′

由于大氣的折光作用，太陽光線在地球大氣中不是直線傳播的，光在大氣中的折射有“抬高”太陽的作用。我們知道，地球大氣密度隨高度而減小，因此太陽光線從密度低的大氣進入密度高的大氣就會不斷發(fā)生折射，因而有抬高太陽作用。這種效應(yīng)又是在接近地平時最顯著，其值為34′。因此，當視太陽圓面中心位于地平線時，真太陽中心尚在地平線以下34′位置。同時考慮這兩個因素的影響，日出和日沒真太陽中心的天頂距是90°50′。大氣折光有“抬升”天體的作用

眼高差在觀測日出和日沒時，人們的眼睛總有一定高度，而且站得越高，越能較早的看到日出，較晚的看到日沒。正因此，高山上的白晝在任何時候總是長于平地上的白晝。在這三個次要因素中，眼高差是不確定性因素，不反映晝夜長短的一般規(guī)律。太陽視半徑和大氣折光作用則是全球性因素，能夠反映晝夜長短一般規(guī)律。同時考慮這兩個因素影響，太陽出沒時真太陽中心的天頂距增加了50′，就是說由于這兩個因素的影響，真太陽中心還在地平圈以下50′時，人們就可以看到太陽。這樣，就使晝半球擴大了50′，而夜半球減小了50′。晝夜兩半球不再是真正半球，晨昏線也不再是地面上大圓。這就改變了晝夜長短緯度分布和季節(jié)變化的簡單規(guī)律性：（1）任何日期和地點白晝被延長，黑夜被縮短。赤道上不再是終年晝夜等長，而總是晝長于夜（相差約7分鐘），在其他緯度，晝夜等長的日期不再出現(xiàn)在二分日，而是出現(xiàn)在春分前和秋分后三、四天。（2）任何日期極晝地帶的范圍被擴大，極夜地帶的范圍被縮小。同時極晝時期被延長，極夜時期被縮短。

概念：日出前和日沒后的一段時間內(nèi)，天空呈現(xiàn)出微弱的光亮的現(xiàn)象，叫晨昏蒙影，又稱曙暮光。5、晨昏蒙影

我們現(xiàn)在所說的白晝和黑夜，都是以日出和日沒為分界線的，事實上，在日出之前（黎明）和日沒之后（黃昏）的一段時間，天空仍然相當明亮，或者說處于半光明狀態(tài)。這段時間既不是真正的白晝，也不是真正的黑夜，而是處于晝夜交替的過渡時期。這個晝夜交替的過渡階段，叫曙暮光，現(xiàn)代天文學稱晨昏蒙影。晨昏蒙影分為晨光和昏影。其成因都是相同的：日出前和日沒后太陽光雖然不能直接射到地面，但可以射到地球的大氣層，由于高空大氣層里的質(zhì)點和塵埃對太陽起反射和散射作用而引起這一現(xiàn)象。晨光出現(xiàn)在日出以前，昏影出現(xiàn)在日沒以后。晨光以日出為終點，存在一個晨光始的問題；昏影以日沒為起點，存在一個昏影終的問題。那么這個晨光始、昏影終如何定？定的標準是什么？

這個標準就是太陽低度（負高度），太陽上升到這個低度標準就是晨光始，太陽下降到這個低度標準就是昏影終。

按照不同需要，人們把晨昏蒙影分為三級：民用晨昏蒙影、航海晨昏蒙影、天文晨昏蒙影，它們的太陽低度標準分別是6°、12°、18°。

民用晨昏蒙影：太陽位于地平以下0°～6°的一段時間。戶外活動不受影響，室內(nèi)無須照明。任何時候，全球約有5％的地方處于這種狀態(tài)中。

航海晨昏蒙影：太陽位于地平以下6°～12°的一段時間。戶外活動嫌暗，室內(nèi)照明。天空中的亮星已出現(xiàn)，遠方地平線清晰可見。這段時間是航海測星（測定天體的地平高度）的最佳時機。

天文晨昏蒙影：太陽位于地平以下12°～18°的一段時間。天空由亮到黑，最暗的恒星已經(jīng)出現(xiàn)，黑夜降臨。各級晨昏蒙影的太陽“低度”標準

晨昏蒙影持續(xù)的時間，取決于太陽自地平落入地平下18°所需的時間。這段時間的長度，可根據(jù)太陽周日圈與地平圈的交角大?。?0°－

）來推算。太陽如垂直落入地平，這段路線最短，曙暮光持續(xù)時間也最短；

太陽周日圈愈傾斜，曙暮光持續(xù)時間便愈長。由此可知，晨昏蒙影的時間，隨緯度增高而增長（緯度愈高，周日圈與地平圈愈傾斜，緯度越低，周日圈與越垂直）；也略因季節(jié)而變化（因為太陽周日圈的大小因季節(jié)而不同），二分較短，二至較長。

在高緯度的地方，每年有一段時間當天的晨蒙影與上一天的昏蒙影相接，出現(xiàn)白夜現(xiàn)象。緯度越高，白夜持續(xù)的時間越長。

夏至日北緯60°地方，整夜處于晨昏蒙影狀態(tài)中，前一天的昏影尚未結(jié)束，第二天的晨光便以開始，通霄達旦地處于半光明狀態(tài)，這種高緯度夏季奇特現(xiàn)象，稱為白夜。事實上在夏至日這天，北緯48.5°以北的地方，便沒有真正的黑夜，都是白夜。南北兩極地區(qū)冬季漫長的極夜，大部分時間是白夜。那里的真正黑夜，每年只有兩個月左右。兩小兒辯日的故事

《列子》一書中有“小兒辨日”一段故事，大意是說：有一天，孔子走在路上，遇到兩小兒爭辯，一個說：“太陽早晨離我們近，中午遠”。另一個說：“不，早晨遠，中午近。”他們問孔子，誰說得對？孔子要他們先說出各自的理由，前者說：“早晨看太陽像車輪，中午小的像飯碗?！绷硪粋€說：“早上太陽曬在身上不熱，所以遠；中午熱，所以近?！本烤拐l是誰非，孔子也未搞明白。問題：小兒辨日的問題實質(zhì)是什么？

所視太陽大小的不同，是人們的錯覺造成的。近代光學研究證明，太陽視直徑一天中無顯著變化，用儀器觀測證明，一天中看不出變化。即使在一年中，近日點處，太陽視直徑為32′31″4；遠日點處，太陽視直徑為31′27″2。所以，一月初，視太陽比七月初大1′4″2。這種差異肉眼是不可辨的，憑儀器方可測出。小兒所視太陽大小不同，是因為早晨，太陽在地平線上，感覺大是因為周圍有山丘、村莊、樹木做參照物；中午，太陽在空曠的天頂附近，無參照物，所以感覺小。現(xiàn)代科學證明，所覺太陽熱不同，是因為太陽高度不同，晨時太陽為斜射，午時太陽輻射為一天中的最大值，所以熱。同等熱量發(fā)射的面積不同，單位面積獲得的輻射強度不同。

答案：小兒辨日的問題實質(zhì)是太陽高度角的問題

概念：太陽高度——就是太陽光線與地平面之間的夾角。

太陽高度對地球四季和五帶的形成起十分重要的作用，它決定著太陽能在地球表面的分配。

三、太陽高度1、太陽高度概說對于一個確定地點來說，太陽位于天頂時，太陽高度為90o，太陽位于地平時，太陽高度為0o；從全球范圍來看，在太陽直射點上，太陽高度是90o，從這里開始，太陽高度向四周降低，等高線呈同心圓狀分布，到晨昏圈上，太陽高度為0o。在天文學上，太陽高度用天文三角形的方法可計算出，其大小取決于三個因素：當?shù)氐乩砭暥?/p>

（這是地理分布的因素），當天的太陽赤緯δ（這是季節(jié)變化的因素），當時的太陽時角t（這是周日變化的因素）。

如圖，Z為所在地天頂，P為天北極，S是當時太陽的位置。在△ZPS中，

ZP=90°－

PS=90°－δ︵︵

在△ZPS中，把數(shù)值帶入球面三角形余弦公式，即cos(90°-h)=

cos(90°-

)cos(90°-δ)+sin(90°-

)sin(90°-δ)cost化簡，即:

sinh=sin

sinδ+cos

cosδcost

概念：中天時刻的太陽高度稱為正午太陽高度（H）2、正午太陽高度

太陽高度因太陽時角變化而有周日變化，正午時太陽高度是一日內(nèi)最大的，稱正午太陽高度。正午時，太陽時角t=0°，cost=1。因此，正午太陽高度只因太陽赤緯和地理緯度而不同。根據(jù)：sinh=sin

sinδ+cos

cosδcost正午時，t=0°，cost=1∴sinH＝sin

sinδ﹢cos

cosδ

＝cos（

－δ）＝sin[90°－(

－δ)]∴H＝90°－(

－δ)＝90°－

＋δ

式中的(90

°－

)可看作上點高度。地理緯度

，不分±，始終取正值；太陽赤緯δ，在太陽直射半球為正、非太陽直射半球為負，即當?shù)叵陌肽耆≌?，冬半年取負值。這個公式用文字表述為某地的正午太陽高度等于90°減去該地的地理緯度與太陽能直射點緯度的差值。

北半球的正午太陽高度，以南點為起點；南半球則以北點為起點。因此，計算結(jié)果容許出現(xiàn)H＞90°和H＜0°的情形。使用該公式時候應(yīng)注意：當

＝δ時，H＝90°

太陽直射點所在的緯度等于太陽赤緯，正午太陽當頂。此地此刻，地面上一切矗立的物體，都會有形而無影；說得更確切一點，物體的陰影正好在它們“腳下”。太陽赤緯（δ）變化于±23°26′之間，因此，地球上只有南北回歸線之間的地帶，才有可能達到90°的正午太陽高度。由該公式可知當

＞δ時，H＞90°

這意味著該地（北半球）正午太陽已越過天頂向北傾斜。若以北點起算，其真正地平高度應(yīng)為：H=180°-（90°-

+δ）。這種情況也只限于南北回歸線地帶（不包括南北回歸線），其它緯度不會有δ＞

的情況。當

＜δ時，H＜90°

δ≤23°26′，所有緯度大于23°26′的地方，都不會有太陽直射。當

＞90°-δ，H＜0°

表示高緯度冬季正經(jīng)歷著極夜。

按正午太陽高度公式：H=（90°-

）+δ的圖解，容易推出夜半太陽“低度”（H′）：H′=-（90°-

）+δ=

+δ-90°

式中的-（90°-

）即為下點（Q′）低度。

根據(jù)這個公式，只要把晨光始（或昏影終）的太陽“低度”標準（－18°）和δ的極大值（23.5°）代入上式，便得白夜的緯度界限。即

－18°＝

＋23.5°－90°

于是有：

＝90°－23.5°－18°＝48.5°。

我國黑龍江省的漠河（

＝53.5°N），素有“中國的北極”之稱，那里在夏至前后，也有白夜現(xiàn)象。

正午太陽高度因緯度而不同。具體的緯度差異，則隨季節(jié)而變化。概括地說，太陽直射的緯度，正午太陽高度最大，H＝90°，由此向南北隨緯度遞減：兩地的緯度差，就是它們的正午太陽高度差。3、正午太陽高度的緯度分布在說明H的緯度分布時，H的公式可改寫成如下形式：H＝（90°＋δ）－

式中(90°＋δ)可理解為赤道上不同季節(jié)的正午太陽高度，其他各地隨緯度遞減，

是對(90°＋δ)的緯度訂正。即是說任何緯度的H都等于赤道上的H減去緯度值。二分時，δ＝0°

各地的正午太陽高度都等于當?shù)氐挠嗑暎碒＝90°－

。赤道最高，H＝90°；至兩極遞減為0°。北至時，δ＝23°26′

北半球各地的正午太陽高度H＝（90°＋23°26′）－

；南半球各地則H＝（90°－23°26′）－

。這時，北回歸線的正午太陽高度最大，H＝90°，由此向南、北兩個方向遞減；至北極和南極，H分別為23°26′

和－23°26′

。

南至時，δ＝－23°26′

北半球各地H＝66°34′－

，南半球各地H＝113°26′－

。這時，南回歸線H＝90°，向南北遞減，至北極和南極，H分別為－23°26′和23°26′。

正午太陽高度的緯度分布二分日，Ｈ由赤道向南北兩極遞減

夏至日，Ｈ由北回歸線向兩極遞減冬至日，Ｈ由南回歸線向兩極遞減南回歸線北回歸線0o90oS90oN90oH正午太陽高度因季節(jié)而變化。具體的季節(jié)差異，則因緯度而不同。在說明正午太陽高度的季節(jié)變化時，正午太陽高度公式，可改為如下形式：

H＝（90°－

）＋δ

式中的（90°－

）可看作二分時各緯度的正午太陽高度，即全年的平均值；δ是對（90°－

）的季節(jié)訂正。各自半球的夏半年取正值，冬半年為負值。4、正午太陽高度的季節(jié)變化——在赤道，

＝0°，H＝90°±23°26′，即那里的正午太陽高度變化于113°26′～66°33′之間（實即66°34′～90°～66°34′）。

——在北回歸線，

＝23°26′，H＝66°34′±23°26′，那里的正午太陽高度，最高可達90°，最低不小于43°08′。

——在北極圈，

＝66°34′，H＝23°26′±23°26′那里的正午太陽高度，最高不超過46°52′，最低時為0°?！诒睒O，

＝90°，H＝0°±23°26′，變化于23°26′～－23°26′之間。正午太陽高度的季節(jié)變化冬至日春分日夏至日秋分日冬至日-23°26′0°30°60°90°北回歸線北極圈北極赤道66°34′43°08′注意：南北兩半球緯度相等的兩個地方，H的變化幅度也相等，但極值出現(xiàn)時間相反。例如，50°NS的地方，

＝50°，H＝（90°﹣50°）±23°26′＝40°±23°26′，其變幅都是63°26′～16°34′之間，但極值出現(xiàn)時間相反。

因黃赤交角的存在和太陽回歸運動，使晝夜長短和正午太陽高度發(fā)生季節(jié)變化和緯度差異。由于它們的季節(jié)變化，一年內(nèi)分為春夏秋冬四季，嚴格地說，只有中緯度地帶才是四季分明的，對整個地球來說，不如籠統(tǒng)地說季節(jié)變化更為確切一些。季節(jié)變化有如下兩方面性質(zhì)：四、地球上的四季（一）季節(jié)變化的性質(zhì)1、季節(jié)變化是半球性現(xiàn)象大家知道南北半球沒有同時來臨的季節(jié)，而總是相反。這是因為影響季節(jié)變化的兩個主要因素：晝夜長短和正午太陽高度是半球性的。在太陽直射半球上，晝長夜短，正午太陽高度偏大；非太陽直射半球上，則晝短夜長，正午太陽高度偏小。而且在任何時候太陽只能直射某一個半球。影響季節(jié)變化的因素有：

（1）半球性因素（晝夜長短和正午太陽高度）

——決定地球所得的太陽熱能在南北半球的分配。

南北半球各自所得的太陽熱能，從占全球總量的百分數(shù)來看，變化于70%～30%之間，即約成100：43，其差值為57。

（2）全球性因素（日地距離的變化）

——影響全球所得的太陽熱能總量。

日地距離變化于1.521～1.471億Km之間,二者約成100：96.7。我們知道，太陽輻射強度與距離平方成反比。因此，全球所得的太陽熱能總量的極大值與極小值之比為1002：96.72，即約成100：93.5,其差值為6.5。

比較半球性因素和全球性因素，很顯然半球性因素是季節(jié)變化的主要因素，所以季節(jié)變化是半球性現(xiàn)象。每年一月初地球經(jīng)過近日點，地球獲得的熱量較多，然而此時北半球正處于寒冷的冬季，這也反映出全球性因素不是主要的。

2、季節(jié)變化首先是天文現(xiàn)象，然后是氣候現(xiàn)象。這里所說的季節(jié)是天文季節(jié)，而不是氣候季節(jié)。太陽直射在哪個半球上，該半球晝長夜短，正午太陽高度偏大，太陽熱能的分配側(cè)重于該半球，以至該半球是夏季，另一半球為冬季。圖4—6季節(jié)的天文因素：晝夜長短和正午太陽高度的變化1、太陽直射點在南北半球之間的移動：造成南北兩半球冬夏半年的相互替代。

從春分至秋分：太陽直射北半球，是北半球的夏半年，南半球的冬半年。在此期間，北半球晝長夜短，北極地區(qū)有極晝，北回歸線以北地帶H大于全年平均值。南半球相反。

從秋分至次年春分：太陽直射南半球，是北半球的冬半年，南半球的夏半年。在此期間，北半球晝短夜長，北極地區(qū)有極夜，北回歸線以北地帶H小于全年平均值。南半球相反。以后太陽直射點又移到北半球，南北半球的冬夏半年又相互更替。（二）太陽直射點的移動和四季的遞變2、太陽直射點向北或向南移動：導致南北兩半球晝夜長短和正午太陽高度變化的相互倒轉(zhuǎn)。

從冬至到次年夏至：太陽直射點始終向北移動。在此期間，北半球的白晝變長，極夜地帶縮小，北回歸線以北地區(qū)，H持續(xù)增大。南半球反之。

從夏至到冬至：太陽直射點始終向南移動。在此期間，北半球的白晝變短，極晝地帶縮小，北回歸線以北地區(qū)，H持續(xù)減小。南半球反之。以后太陽直射點又轉(zhuǎn)向北移動，南北半球晝夜長短和正午太陽高度的變化相互倒轉(zhuǎn)。

3、太陽直射點向回歸線和赤道的移動：導致晝夜長短和正午太陽高度趨近全年極值或平均值。

從春分到夏至或從秋分到冬至。太陽直射點向回歸線方向移動。在此期間，無論南北半球，晝夜長短和正午太陽高度都趨向全年的極大值或極小值。

從冬至到次年春分或從夏至到秋分。太陽直射點向赤道方向移動。在此期間，無論南北半球，晝夜長短和正午太陽高度都趨近全年的平均值（晝長趨近12小時，H趨近當?shù)赜嗑?0°－

）。