“昼夜更替”疑难点探讨

王治敏

一、昼夜现象与昼夜交替现象

昼夜现象是指由于太阳光线的照耀，地球面向太阳一面被照亮处于白昼状态，而另一部分由于自身的阻挡未被太阳光线照亮处于黑夜状态。因此，昼夜现象的形成与地球为不透明、不发光的球体及日地距离（太阳光线能够到达地面）有关，而与地球是否自转无关，即假设地球不自转，也会存在昼夜现象。

昼夜更替是指地球上某地从昼到夜再到昼的地理现象，它的形成首先要求地球上存在昼夜现象；要掌握昼夜交替的形成必须要理解晨昏线（圈）。晨昏线是太阳照射地表所形成的昼夜半球的分界线，其特点如下：平分地球，是过球心的大圆；晨昏线（圈）所在平面始终与太阳光线垂直，线上各点的太阳高度为0°；永远平分赤道；一年之中，只有春分、秋分时与经线圈重合，其余时间与经线圈相交；一年之中，只有在夏至、冬至时与极圈相切；在地表表现为自东向西运动，速度为15°/小时，与地球自转方向相反（如图1中的AB为晨线、图2中的甲乙为晨昏圈、图3中的ACB弧为晨昏线、图4中的BD为晨昏圈）。

地球自转的周期为一个恒星日（以恒星为参照物），时间为23小时56分4秒，其长度基本保持不变。地球上昼夜交替的周期为一个太阳日（以太阳为参照物），约为24小时，但其长短与地球的自转角速度是有关的。其计算法则可以从晨昏圈入手，晨昏圈是太阳光线与地球表面相切的切点连接而成，晨昏圈上太阳高度为0°，把地球平分为昼半球和夜半球。在某天或很短时间里，可认为晨昏圈相对于太阳的空间位置固定不变（这是由于地球的公转周期较长，在较短时间内日、地的相对空间位置变化很小，那么太阳光线与地球表面切点的空间位置变化很小）。由于地球不断自转，因此晨昏圈相对于地面向西移动的角速度就等于地球的自转角速度。因此，昼夜更替的周期就可以这样认为：地球上各地随着地球的自转，从位于晨线上（见到日出）到位于昏线上（见到日落）再回到晨线上（再次见到日出），这样的一段时间长短就为该地的昼夜更替周期长短。昼夜更替则可以认为是地面上各地相对于晨昏圈的运动，其周期大小T=360°/地球的自转角速度。现在，地球上各地（除南、北两极点）角速度均为15°/小时，因此昼夜更替周期为24小时，称为一个太阳日。如果地球只是公转而不自转，则地球上的昼夜更替周期为一年。

二、地球上运动物体昼夜更替周期长短计算

在地球上运动的物体，它们的昼夜更替周期就有可能不是一个太阳日。对于此类问题的计算，笔者认为关键在于把抽象化为具体，这就要求能够建立一个具体的地理模型然后加以分析，此模型的建立需要引进晨昏圈来进行。在某段较短的时间里晨昏圈的空间位置（相对于太阳或者相对于地心）是不会发生明显变化的，因为晨昏圈是太阳光线与地球表面的切点构成。以下分析以晨线为例，假设物体的运动刚刚从位于晨线的空间位置开始来计算其昼夜更替周期。把物体的运动可以分成两种情况来进行讨论。

如果物体相对于地面向东运动：假设物体相对于地面向东运动的角速度为W1，而地面是相对于晨线向东运动，角速度为W2=15°/h。那么物体相对于晨线向东运动，其角速度W3=W1+W2，W3> 15°/h。物体的昼夜更替周期T=360°/W3，T<24小时，周期短于一个太阳日。

如果物体相对于地面向西运动：假设物体相对于地面向西运动其角速度为W1，而晨线相对于地面是向西运动其角速度W2=15°/h，那么物体相对于晨线运动的角速度大小为W3=|W1-W2|。物体的昼夜更替周期T=360°/W3，而W3=|W1-15|，周期T大小与太阳日比较，要分以下三种情况：若W1<15时，W3<15，则T>24，此情况的昼夜更替周期大于一个太阳日。若W1=15时，W3=0，则此情况物体无昼夜更替。若30>W1>15时 ，W3<15， 则T>24，此情况的昼夜更替周期大于一个太阳日。若W1=30时，W3=15，则T=24，此情况的昼夜更替周期等于一个太阳日。若W1>30时，W3>15，则T<24，此情况的昼夜更替周期小于一个太阳日。