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晝夜時長

國中地理根據緯度和太陽赤緯計算晝長：cos H = (sin h₀ - sin φ sin δ) / (cos φ cos δ)

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關於此實驗

6月，倫敦的日照時間超過16小時，而雪梨不到10小時；赤道上每天則約有12小時。原因是地軸傾斜。地球繞太陽運行時，北半球先傾向太陽，接著南半球傾向太陽，因此每條緯線中處於陽光下的部分會增大。選擇一個地點和日期，觀察緯線如何分為晝夜，並追蹤全年日照時長的變化。

學習目標

  • 解釋為什麼地軸傾斜會使白晝長度隨著一年中的季節而變化。
  • 描述在二至和二分時，白晝長度如何隨緯度變化。
  • 解釋極圈內的極晝和極夜現象。
  • 比較同一天北半球和南半球的白晝長度。
  • 根據緯度和日期計算正午時太陽的高度。

使用方法

  1. 1選擇六月至日的倫敦。黃色圓和藍色圓中有多少部分處於白晝？讀出白晝長度。
  2. 2保持日期不變，先選擇新加坡，再選擇特羅姆瑟。圓中白晝與黑夜的分布有什麼變化？
  3. 3選擇三月和九月的春分、秋分。你注意到各地的白晝長度有什麼特點？
  4. 4比較圖中的橘色曲線和藍色曲線。為什麼它們像鏡像一樣相反？
  5. 5找出六月至日有24小時白晝的最低緯度。這是地球儀上的哪一條線？
  6. 6關閉折射設定。為什麼白晝會縮短幾分鐘？

模型

太陽赤緯：日期 d 正午時太陽直射的緯度
緯度 φ 處日落時的時角 H；考慮折射時 h₀ 為 -0.833°，不考慮折射時為 0°
白晝長度：地球每小時自轉 15°
當地正午時太陽在地平線以上的高度

假設

  • 地球被視為一個自轉軸傾斜 23.44° 的球體，軌道則按圓形處理，因此赤緯呈簡單的餘弦變化。實際的至日和分日日期可能相差一兩天。
  • 時間採用地方太陽時，太陽升至最高點時為正午。時鐘時間也受時區、日光節約時間和均時差影響。
  • 開啟折射後，如年鑑所示，太陽上緣觸及地平線的時刻即為日出或日落。模型不考慮丘陵、建築物和觀測者的高度。
  • 一年按 365 天計算，不考慮閏年。

在課堂上試試這個實驗

  1. Q1為什麼赤道上的白晝長度全年幾乎恰好是 12 小時？
  2. Q2在春分和秋分時，所有地方的白晝都約為12小時。請用地球儀解釋其中的原因。
  3. Q3為什麼北緯60°的城市一年中白晝長度的變化，比北緯30°的城市大得多？
  4. Q4如果地軸完全沒有傾斜，一年中的白晝長度會是什麼樣子？
  5. Q5為什麼夏季最熱的時候往往比白晝最長的一天晚幾週才到來？

常見問題

為什麼在春分和秋分時，白晝仍然略長於12小時？

大氣會將地平線下方的陽光折射過來，而且日出是從太陽上緣出現時開始計算，而不是從太陽中心出現時開始計算。這兩種效應加在一起，使白晝的兩端各延長幾分鐘。關閉折射功能，就能看到純粹幾何意義上正好12小時的白晝。

為什麼北極圈以內的地方會出現極晝？

6月，北極點朝向太陽傾斜23.44°。距北極點23.44°以內的所有地點，在地球自轉一圈的過程中始終處於地球受光的一半，因此太陽永不落下。

白晝最長的一天和日出最早的一天是同一天嗎？

不完全是。日出和日落的時刻也會因均時差而偏移，因此在許多地方，最早的日出會出現在六月至日前幾天，最晚的日落則出現在至日後幾天。