王治敏

一、晝夜現(xiàn)象與晝夜交替現(xiàn)象

晝夜現(xiàn)象是指由于太陽光線的照耀，地球面向太陽一面被照亮處于白晝狀態(tài)，而另一部分由于自身的阻擋未被太陽光線照亮處于黑夜?fàn)顟B(tài)。因此，晝夜現(xiàn)象的形成與地球為不透明、不發(fā)光的球體及日地距離（太陽光線能夠到達(dá)地面）有關(guān)，而與地球是否自轉(zhuǎn)無關(guān)，即假設(shè)地球不自轉(zhuǎn)，也會存在晝夜現(xiàn)象。

晝夜更替是指地球上某地從晝到夜再到晝的地理現(xiàn)象，它的形成首先要求地球上存在晝夜現(xiàn)象；要掌握晝夜交替的形成必須要理解晨昏線（圈）。晨昏線是太陽照射地表所形成的晝夜半球的分界線，其特點如下：平分地球，是過球心的大圓；晨昏線（圈）所在平面始終與太陽光線垂直，線上各點的太陽高度為0°；永遠(yuǎn)平分赤道；一年之中，只有春分、秋分時與經(jīng)線圈重合，其余時間與經(jīng)線圈相交；一年之中，只有在夏至、冬至?xí)r與極圈相切；在地表表現(xiàn)為自東向西運動，速度為15°/小時，與地球自轉(zhuǎn)方向相反（如圖1中的AB為晨線、圖2中的甲乙為晨昏圈、圖3中的ACB弧為晨昏線、圖4中的BD為晨昏圈）。

地球自轉(zhuǎn)的周期為一個恒星日（以恒星為參照物），時間為23小時56分4秒，其長度基本保持不變。地球上晝夜交替的周期為一個太陽日（以太陽為參照物），約為24小時，但其長短與地球的自轉(zhuǎn)角速度是有關(guān)的。其計算法則可以從晨昏圈入手，晨昏圈是太陽光線與地球表面相切的切點連接而成，晨昏圈上太陽高度為0°，把地球平分為晝半球和夜半球。在某天或很短時間里，可認(rèn)為晨昏圈相對于太陽的空間位置固定不變（這是由于地球的公轉(zhuǎn)周期較長，在較短時間內(nèi)日、地的相對空間位置變化很小，那么太陽光線與地球表面切點的空間位置變化很小）。由于地球不斷自轉(zhuǎn)，因此晨昏圈相對于地面向西移動的角速度就等于地球的自轉(zhuǎn)角速度。因此，晝夜更替的周期就可以這樣認(rèn)為：地球上各地隨著地球的自轉(zhuǎn)，從位于晨線上（見到日出）到位于昏線上（見到日落）再回到晨線上（再次見到日出），這樣的一段時間長短就為該地的晝夜更替周期長短。晝夜更替則可以認(rèn)為是地面上各地相對于晨昏圈的運動，其周期大小T=360°/地球的自轉(zhuǎn)角速度?，F(xiàn)在，地球上各地（除南、北兩極點）角速度均為15°/小時，因此晝夜更替周期為24小時，稱為一個太陽日。如果地球只是公轉(zhuǎn)而不自轉(zhuǎn)，則地球上的晝夜更替周期為一年。

二、地球上運動物體晝夜更替周期長短計算

在地球上運動的物體，它們的晝夜更替周期就有可能不是一個太陽日。對于此類問題的計算，筆者認(rèn)為關(guān)鍵在于把抽象化為具體，這就要求能夠建立一個具體的地理模型然后加以分析，此模型的建立需要引進(jìn)晨昏圈來進(jìn)行。在某段較短的時間里晨昏圈的空間位置（相對于太陽或者相對于地心）是不會發(fā)生明顯變化的，因為晨昏圈是太陽光線與地球表面的切點構(gòu)成。以下分析以晨線為例，假設(shè)物體的運動剛剛從位于晨線的空間位置開始來計算其晝夜更替周期。把物體的運動可以分成兩種情況來進(jìn)行討論。

如果物體相對于地面向東運動：假設(shè)物體相對于地面向東運動的角速度為W1，而地面是相對于晨線向東運動，角速度為W2=15°/h。那么物體相對于晨線向東運動，其角速度W3=W1+W2，W3> 15°/h。物體的晝夜更替周期T=360°/W3，T<24小時，周期短于一個太陽日。

如果物體相對于地面向西運動：假設(shè)物體相對于地面向西運動其角速度為W1，而晨線相對于地面是向西運動其角速度W2=15°/h，那么物體相對于晨線運動的角速度大小為W3=|W1-W2|。物體的晝夜更替周期T=360°/W3，而W3=|W1-15|，周期T大小與太陽日比較，要分以下三種情況：若W1<15時，W3<15，則T>24，此情況的晝夜更替周期大于一個太陽日。若W1=15時，W3=0，則此情況物體無晝夜更替。若30>W1>15時 ，W3<15， 則T>24，此情況的晝夜更替周期大于一個太陽日。若W1=30時，W3=15，則T=24，此情況的晝夜更替周期等于一個太陽日。若W1>30時，W3>15，則T<24，此情況的晝夜更替周期小于一個太陽日。