夏至剛過，這十個相關問題值得你瞭解_風聞

原創：牧夫天文

在夏至，太陽昇至最高點，並在天空劃過最長的路徑；冬至則相反。

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

剛剛過去的2019年6月21日對於北半球的人們是夏至，而對於南半球的人們則是冬至。儘管很多因素決定着行星的運轉：比如自轉和公轉的角動量、軌道偏心率、廣義相對論以及其他行星的作用。但影響“至”的因素只有地軸傾角一個，也就是圍繞太陽運行的行星，它的自轉軸與公轉平面的夾角。

儘管地球在持續自轉，但地軸並不垂直於公轉軌道，它傾斜了23.5度。因此，地球公轉會有兩個“分”的特殊位置，在這個位置太陽和地球連線垂直於地軸；也會有兩個“至”的特殊位置，在這個位置太陽和地球連線與地軸夾角最大。

Credit: LARRY MCNISH / RASC CALGARY CENTRE

夏至冬至並不只有晝夜長短那麼簡單，讓我們一同探究以下的內容：

我們使用針孔相機可以記錄太陽在天空中的軌跡，上圖中最低的軌跡是冬至時的，最高的軌跡是夏至時的。

Credit:REGINA VALKENBORGH / WWW.REGINAVALKENBORGH.COM

1、拉丁語中“至”(Solstice)意味着“太陽相對固定”

如果我們記錄全年的太陽運行軌跡，正如上圖中我們使用針孔相機來操作。我們能夠看到太陽東昇西落的軌跡(東：可能是正東、東北或東南；西：可能是正西、西北或西南，具體取決於南北半球、緯度和月份)。在夏至或冬至前後一週，我們可以看到相同時間的太陽高度位置很接近，因此會有拉丁語的名詞，“sol”指太陽，“stare”指固定的、不動的。

如果我們在同一時間、同一位置和同一方向規律地重複拍攝太陽，將這些照片疊加就會形成上圖這樣的“太陽全年運行的8字軌跡”，軌跡的傾角取決於你選取的拍攝時間。

Credit:GIUSEPPE DONATIELLO / FLICKR

2、“太陽全年運行的8字軌跡”的頂端就是“至”

我們繼續研究“太陽全年運行的8字軌跡”，這個軌跡是因為地軸傾角和公轉的橢圓形軌道引起的。一起來仔細看看這個8字軌跡，軌跡的上頂端對應着夏至拍攝時間，而下底端對應着冬至拍攝時間。

注：其實“太陽全年運行的8字軌跡”拍攝難度非常大

接近地平線的太陽或月球顏色偏紅，這是因為近地平線光線需要穿過更多的大氣，而大氣更容易吸收短波長光（比如藍光以及紫外線）。

Credit:MAX PIXEL / FREEGREATPICTURE.COM

3 、儘管夏至時白天最長，冬至時白天最短，但這不意味着最早或最晚的日出和日落。

冬至時白天最短，我們很容易認為這時會有最晚的日出和最早的日落。而夏至時則會有最早的日出和最晚的日落。而事實並非如此，“至”和“分”由地軸傾角決定，而最早或最晚日出和日落時間還會受到橢圓公轉軌道因素的影響。如果公轉軌道是正圓形，那以上猜測成立。然而公轉軌道是橢圓形的，因此北半球的實際最早日出發生在夏至前一段時間，而最晚日落時間發生在夏至後一段時間。赤道處，這個時間差長達2周，而向北緯度越高時間差越小。

800年前，冬至和地球近日點時間相近。因為行星繞日近日點進動，慢慢地兩個時間不斷分開，而進動的週期是2萬1千年。5000年後，春分時地球正好處於近日點。

Credit:GREG BENSON AT WIKIMEDIA COMMONS

4、“至”與地球近日點和遠日點沒有關係

可能你會注意到12月的“至”時，地球臨近近日點(1月初)。同樣，6月21日的“至”地球臨近遠日點（7月4日），但這僅僅是巧合。因為行星繞日近日點進動，這個週期長達2萬1千年。因此，會發生週期性的“至”和“分”時點與近日點或遠日點的時間重合。

上圖拍攝於阿拉斯加費爾班克斯，緯度越高的地區，太陽越低，在冬至時非常明顯。

Credit:KEN TAPE

5、如果緯度高於43度，在冬至時太陽的最高點還沒有此時在南極看到的高

你是聖誕老人的粉絲嗎？他的家是在北極嗎？當聖誕老人在家過“夏至”時，太陽全天都懸掛在天空大約23.5度的高度。這一高度甚至高於南半球南緯43度以上的地區，這些地區包括：新西蘭的基督城和達尼丁、塔斯馬尼亞島、阿根廷的部分地區、智利的最南部地區以及整個南極洲。

左圖為20度緯度的“至”時太陽的軌跡，右圖為70度緯度的，可以看出緯度超過66.5度的地區會出現極晝和極夜。

Credit:WIKIMEDIA COMMONS USER TAUʻOLUNGA

6、極地地區可以出現極晝和極夜

正因為地軸傾角，黃赤交角23.5度，因此，緯度高於66.5度的地區會出現極晝和極夜。在極地圈的外圍地區太陽僅僅在地平線上下23.5度。但如果在北極和南極，可以經歷連續6個月的極晝或極夜，極晝和極夜的交替發生在“分”。

這張照片共曝光12小時，並且保持每小時15度的旋轉，拍出了360度星軌照片，而在此之前還沒有人能實現。

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

7、在“至”的幫助下，我們拍出了360度星軌照片

地球自轉每24小時一週，而太陽在地平線下超過12-18度，天空才夠暗才能夠觀察到星星，因此拍攝連續的360度星軌照片非常困難，它被稱為勒温挑戰(Lewis’s Challenge)。但如果我們能夠在北極或南極，在極夜時我們就會有更多的機會。

上圖展示了當北極遠離太陽而朝向滿月的時候，南極則朝向太陽而遠離滿月。月球對於地球軌道的穩定非常重要，並且它讓地球的自轉變慢。月球的軌道傾角為5.1度，因此完美的太陽-地球-月球連線會比較複雜。

Credit:NATIONAL ASTRONOMICAL OBSERVATORY ROZHEN

8、臨近“至”的滿月，滿月軌跡近似於太陽相對的路徑

因為地球-月球軌道平面與太陽-地球軌道平面僅僅相差5度，因此“至”期間的滿月運行軌跡與太陽基本相對，即太陽軌跡處於最高，則滿月軌跡處於最低。

上圖拍攝於2001年和2002年，使用適中分辨率光譜輻射計成像數據的兩個地球半球的合成照片。可以看出，正是這大片的海洋使我們的星球呈現出藍色，併發揮着調節氣候的重要作用。

Credit:NASA / BLUE MARBLE PROJECT

9、“至”並不意味着最熱或最冷

通常夏至後6個星期是最熱的時候，而冬至後6個星期是最冷的時候。而其他星球不會是這樣，因為它們沒有地球這樣的廣泛地表水體。地球海洋的質量大約是大氣的1000倍，而如此大質量的水體吸收和釋放熱量都需要一定的時間。因此，最熱和最冷的時候通常在8月和2月，而不是“至”發生時的6月和12月。

2004年6月21日，太空船一號試飛，成為首個私人設立的商用載人項目。

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

10、人類太空探索的兩個里程碑事件的時間是在夏至和冬至

2004年6月21日，商用載人亞軌道項目宇太空船一號成功試飛，現在正好是15週年。1968年12月21日，阿波羅8號成功發射，它是首個載人進入月球軌道的探索項目。宇航員弗蘭克·鮑曼(Frank Borman)、吉姆·羅佛爾(Jim Lovell)和比爾·安德斯(Bill Anders)在遙遠的月球軌道回望地球。

阿波羅8號任務中人類在月球軌道上的“回眸”

Credit:NASA / APOLLO 8

當航天器從月球背後運行出來，藍色星球逐漸進入視野的一刻，比爾驚歎：“我們想方設法探索月球，但最震撼的還是回眸地球！”

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太空船二號

Credit: Virgin