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在夏至，太陽升至最高點，并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日對于北半球的人們是夏至，而對于南半球的人們則是冬至。盡管很多因素決定著行星的運轉(zhuǎn)：比如自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)平面的夾角。
盡管地球在持續(xù)自轉(zhuǎn)，但地軸并不垂直于公轉(zhuǎn)軌道，它傾斜了23.5度。因此，地球公轉(zhuǎn)會有兩個“分”的特殊位置，在這個位置太陽和地球連線垂直于地軸；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
夏至冬至并不只有晝夜長短那么簡單，讓我們一同探究以下的內(nèi)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?xí)r的，最高的軌跡是夏至?xí)r的。
Credit:REGINA VALKENBORGH / WWW.REGINAVALKENBORGH.COM
1、拉丁語中“至”(Solstice)意味著“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升西落的軌跡(東：可能是正東、東北或東南；西：可能是正西、西北或西南，具體取決于南北半球、緯度和月份)。在夏至或冬至前后一周，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(guī)律地重復(fù)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”，軌跡的傾角取決于你選取的拍攝時間。
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(xù)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(zhuǎn)的橢圓形軌道引起的。一起來仔細(xì)看看這個8字軌跡，軌跡的上頂端對應(yīng)著夏至拍攝時間，而下底端對應(yīng)著冬至拍攝時間。
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(lán)光以及紫外線）。
Credit:MAX PIXEL / FREEGREATPICTURE.COM
3 、盡管夏至?xí)r白天最長，冬至?xí)r白天最短，但這不意味著最早或最晚的日出和日落。
冬至?xí)r白天最短，我們很容易認(rèn)為這時會有最晚的日出和最早的日落。而夏至?xí)r則會有最早的日出和最晚的日落。而事實并非如此，“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(zhuǎn)軌道因素的影響。如果公轉(zhuǎn)軌道是正圓形，那以上猜測成立。然而公轉(zhuǎn)軌道是橢圓形的，因此北半球的實際最早日出發(fā)生在夏至前一段時間，而最晚日落時間發(fā)生在夏至后一段時間。赤道處，這個時間差長達(dá)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(jìn)動，慢慢地兩個時間不斷分開，而進(jìn)動的周期是2萬1千年。5000年后，春分時地球正好處于近日點。
Credit:GREG BENSON AT WIKIMEDIA COMMONS
4、“至”與地球近日點和遠(yuǎn)日點沒有關(guān)系
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(yuǎn)日點（7月4日），但這僅僅是巧合。因為行星繞日近日點進(jìn)動，這個周期長達(dá)2萬1千年。因此，會發(fā)生周期性的“至”和“分”時點與近日點或遠(yuǎn)日點的時間重合。
上圖拍攝于阿拉斯加費爾班克斯，緯度越高的地區(qū)，太陽越低，在冬至?xí)r非常明顯。
Credit:KEN TAPE
5、如果緯度高于43度，在冬至?xí)r太陽的最高點還沒有此時在南極看到的高
你是圣誕老人的粉絲嗎？他的家是在北極嗎？當(dāng)圣誕老人在家過“夏至”時，太陽全天都懸掛在天空大約23.5度的高度。這一高度甚至高于南半球南緯43度以上的地區(qū)，這些地區(qū)包括：新西蘭的基督城和達(dá)尼丁、塔斯馬尼亞島、阿根廷的部分地區(qū)、智利的最南部地區(qū)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(qū)會出現(xiàn)極晝和極夜。
Credit:WIKIMEDIA COMMONS USER TAU?OLUNGA
6、極地地區(qū)可以出現(xiàn)極晝和極夜
正因為地軸傾角，黃赤交角23.5度，因此，緯度高于66.5度的地區(qū)會出現(xiàn)極晝和極夜。在極地圈的外圍地區(qū)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(jīng)歷連續(xù)6個月的極晝或極夜，極晝和極夜的交替發(fā)生在“分”。
這張照片共曝光12小時，并且保持每小時15度的旋轉(zhuǎn)，拍出了360度星軌照片，而在此之前還沒有人能實現(xiàn)。
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(zhuǎn)每24小時一周，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(xù)的360度星軌照片非常困難，它被稱為勒溫挑戰(zhàn)(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(dāng)北極遠(yuǎn)離太陽而朝向滿月的時候，南極則朝向太陽而遠(yuǎn)離滿月。月球?qū)τ诘厍蜍壍赖姆€(wěn)定非常重要，并且它讓地球的自轉(zhuǎn)變慢。月球的軌道傾角為5.1度，因此完美的太陽-地球-月球連線會比較復(fù)雜。
Credit:NATIONAL ASTRONOMICAL OBSERVATORY ROZHEN
8、臨近“至”的滿月，滿月軌跡近似于太陽相對的路徑
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，即太陽軌跡處于最高，則滿月軌跡處于最低。
上圖拍攝于2001年和2002年，使用適中分辨率光譜輻射計成像數(shù)據(jù)的兩個地球半球的合成照片?？梢钥闯?，正是這大片的海洋使我們的星球呈現(xiàn)出藍(lán)色，并發(fā)揮著調(diào)節(jié)氣候的重要作用。
Credit:NASA / BLUE MARBLE PROJECT
9、“至”并不意味著最熱或最冷
通常夏至后6個星期是最熱的時候，而冬至后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(zhì)量大約是大氣的1000倍，而如此大質(zhì)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(fā)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(shè)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(xiàn)在正好是15周年。1968年12月21日，阿波羅8號成功發(fā)射，它是首個載人進(jìn)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(yuǎn)的月球軌道回望地球。
阿波羅8號任務(wù)中人類在月球軌道上的“回眸”
Credit:NASA / APOLLO 8
當(dāng)航天器從月球背后運行出來，藍(lán)色星球逐漸進(jìn)入視野的一刻，比爾驚嘆：“我們想方設(shè)法探索月球，但最震撼的還是回眸地球！”
源自www.forbes.com, 作者：Ethan Siegel
