夏至刚过，这十个相关问题值得你了解

原创：牧夫天文

在夏至，太阳升至最高点，并在天空划过最长的路径；冬至则相反。

Credit: DANILO PIVATO OF HTTP://WWW.DANILOPIVATO.COM/

刚刚过去的2019年6月21日对于北半球的人们是夏至，而对于南半球的人们则是冬至。尽管很多因素决定着行星的运转：比如自转和公转的角动量、轨道偏心率、广义相对论以及其他行星的作用。但影响“至”的因素只有地轴倾角一个，也就是围绕太阳运行的行星，它的自转轴与公转平面的夹角。

尽管地球在持续自转，但地轴并不垂直于公转轨道，它倾斜了23.5度。因此，地球公转会有两个“分”的特殊位置，在这个位置太阳和地球连线垂直于地轴；也会有两个“至”的特殊位置，在这个位置太阳和地球连线与地轴夹角最大。

Credit: LARRY MCNISH / RASC CALGARY CENTRE

夏至冬至并不只有昼夜长短那么简单，让我们一同探究以下的内容：

我们使用针孔相机可以记录太阳在天空中的轨迹，上图中最低的轨迹是冬至时的，最高的轨迹是夏至时的。

Credit:REGINA VALKENBORGH / WWW.REGINAVALKENBORGH.COM

1、拉丁语中“至”(Solstice)意味着“太阳相对固定”

如果我们记录全年的太阳运行轨迹，正如上图中我们使用针孔相机来操作。我们能够看到太阳东升西落的轨迹(东：可能是正东、东北或东南；西：可能是正西、西北或西南，具体取决于南北半球、纬度和月份)。在夏至或冬至前后一周，我们可以看到相同时间的太阳高度位置很接近，因此会有拉丁语的名词，“sol”指太阳，“stare”指固定的、不动的。

如果我们在同一时间、同一位置和同一方向规律地重复拍摄太阳，将这些照片叠加就会形成上图这样的“太阳全年运行的8字轨迹”，轨迹的倾角取决于你选取的拍摄时间。

Credit:GIUSEPPE DONATIELLO / FLICKR

2、“太阳全年运行的8字轨迹”的顶端就是“至”

我们继续研究“太阳全年运行的8字轨迹”，这个轨迹是因为地轴倾角和公转的椭圆形轨道引起的。一起来仔细看看这个8字轨迹，轨迹的上顶端对应着夏至拍摄时间，而下底端对应着冬至拍摄时间。

注：其实“太阳全年运行的8字轨迹”拍摄难度非常大

接近地平线的太阳或月球颜色偏红，这是因为近地平线光线需要穿过更多的大气，而大气更容易吸收短波长光（比如蓝光以及紫外线）。

Credit:MAX PIXEL / FREEGREATPICTURE.COM

3 、尽管夏至时白天最长，冬至时白天最短，但这不意味着最早或最晚的日出和日落。

冬至时白天最短，我们很容易认为这时会有最晚的日出和最早的日落。而夏至时则会有最早的日出和最晚的日落。而事实并非如此，“至”和“分”由地轴倾角决定，而最早或最晚日出和日落时间还会受到椭圆公转轨道因素的影响。如果公转轨道是正圆形，那以上猜测成立。然而公转轨道是椭圆形的，因此北半球的实际最早日出发生在夏至前一段时间，而最晚日落时间发生在夏至后一段时间。赤道处，这个时间差长达2周，而向北纬度越高时间差越小。

800年前，冬至和地球近日点时间相近。因为行星绕日近日点进动，慢慢地两个时间不断分开，而进动的周期是2万1千年。5000年后，春分时地球正好处于近日点。

Credit:GREG BENSON AT WIKIMEDIA COMMONS

4、“至”与地球近日点和远日点没有关系

可能你会注意到12月的“至”时，地球临近近日点(1月初)。同样，6月21日的“至”地球临近远日点（7月4日），但这仅仅是巧合。因为行星绕日近日点进动，这个周期长达2万1千年。因此，会发生周期性的“至”和“分”时点与近日点或远日点的时间重合。

上图拍摄于阿拉斯加费尔班克斯，纬度越高的地区，太阳越低，在冬至时非常明显。

Credit:KEN TAPE

5、如果纬度高于43度，在冬至时太阳的最高点还没有此时在南极看到的高

你是圣诞老人的粉丝吗？他的家是在北极吗？当圣诞老人在家过“夏至”时，太阳全天都悬挂在天空大约23.5度的高度。这一高度甚至高于南半球南纬43度以上的地区，这些地区包括：新西兰的基督城和达尼丁、塔斯马尼亚岛、阿根廷的部分地区、智利的最南部地区以及整个南极洲。

左图为20度纬度的“至”时太阳的轨迹，右图为70度纬度的，可以看出纬度超过66.5度的地区会出现极昼和极夜。

Credit:WIKIMEDIA COMMONS USER TAUʻOLUNGA

6、极地地区可以出现极昼和极夜

正因为地轴倾角，黄赤交角23.5度，因此，纬度高于66.5度的地区会出现极昼和极夜。在极地圈的外围地区太阳仅仅在地平线上下23.5度。但如果在北极和南极，可以经历连续6个月的极昼或极夜，极昼和极夜的交替发生在“分”。

这张照片共曝光12小时，并且保持每小时15度的旋转，拍出了360度星轨照片，而在此之前还没有人能实现。

Credit:EARL MOSER, VIA HTTP://WWW.ASTRO-TOM.COM/

7、在“至”的帮助下，我们拍出了360度星轨照片

地球自转每24小时一周，而太阳在地平线下超过12-18度，天空才够暗才能够观察到星星，因此拍摄连续的360度星轨照片非常困难，它被称为勒温挑战(Lewis’s Challenge)。但如果我们能够在北极或南极，在极夜时我们就会有更多的机会。

上图展示了当北极远离太阳而朝向满月的时候，南极则朝向太阳而远离满月。月球对于地球轨道的稳定非常重要，并且它让地球的自转变慢。月球的轨道倾角为5.1度，因此完美的太阳-地球-月球连线会比较复杂。

Credit:NATIONAL ASTRONOMICAL OBSERVATORY ROZHEN

8、临近“至”的满月，满月轨迹近似于太阳相对的路径

因为地球-月球轨道平面与太阳-地球轨道平面仅仅相差5度，因此“至”期间的满月运行轨迹与太阳基本相对，即太阳轨迹处于最高，则满月轨迹处于最低。

上图拍摄于2001年和2002年，使用适中分辨率光谱辐射计成像数据的两个地球半球的合成照片。可以看出，正是这大片的海洋使我们的星球呈现出蓝色，并发挥着调节气候的重要作用。

Credit:NASA / BLUE MARBLE PROJECT

9、“至”并不意味着最热或最冷

通常夏至后6个星期是最热的时候，而冬至后6个星期是最冷的时候。而其他星球不会是这样，因为它们没有地球这样的广泛地表水体。地球海洋的质量大约是大气的1000倍，而如此大质量的水体吸收和释放热量都需要一定的时间。因此，最热和最冷的时候通常在8月和2月，而不是“至”发生时的6月和12月。

2004年6月21日，太空船一号试飞，成为首个私人设立的商用载人项目。

Credit:D RAMEY LOGAN / WIKIMEDIA COMMONS / CCA-SA-3.0

10、人类太空探索的两个里程碑事件的时间是在夏至和冬至

2004年6月21日，商用载人亚轨道项目宇太空船一号成功试飞，现在正好是15周年。1968年12月21日，阿波罗8号成功发射，它是首个载人进入月球轨道的探索项目。宇航员弗兰克·鲍曼(Frank
Borman)、吉姆·罗佛尔(Jim Lovell)和比尔·安德斯(Bill Anders)在遥远的月球轨道回望地球。

阿波罗8号任务中人类在月球轨道上的“回眸”

Credit:NASA / APOLLO 8

当航天器从月球背后运行出来，蓝色星球逐渐进入视野的一刻，比尔惊叹：“我们想方设法探索月球，但最震撼的还是回眸地球！”

『天文时刻』 牧夫出品

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太空船二号

Credit: Virgin