03地球科学全课本第2章 从地球看宇宙34页.docx
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03地球科学全课本第2章从地球看宇宙34页
第2章 從地球看宇宙
2-1 地球外的太空 30
2-2 從地球看星空 42
2-3 恆星亮度與顏色 49
2-4 膨脹中的宇宙 52
抬頭仰望天空,所見的星點有疏有密,如同地球僅是太陽系行星中的一員,許多聚集成團的恆星組成一個家族,稱為星團;而由眾多恆星、星團與星雲構成的巨大系統則稱為星系。
星系也會彼此聚集而形成星系團,由許多星系團組成的超星系團則形成更大的宇宙結構。
這些不同尺度的天體結構共同交織出一片美麗的星空。
2- 1 地球外的太空
在探索完宇宙的歷史之後,接下來我們將視界放遠,從地球開始向外看。
宇宙是由各種不同尺度的天體結構所組成,按照空間尺度由小至大、由近到遠排列,讓我們試著體會各天體之間的距離與大小。
學習目標
◆體認各種天體結構的空間尺度大小
◆了解宇宙空間的尺度由小至大差異極大
◆了解太陽系的成員與組成
2-1.1 日地空間(≦1AU)
地球的形狀很接近球體,平均半徑為6371公里,在浩瀚宇宙的眾多天體中僅是其中的一個小點(圖2-1)。
太陽到地球之間的平均距離約為1.5×108公里,定義為1天文單位(AU),這段距離不論以地球或太陽的大小來度量都顯得遙遠。
地球擁有單一顆衛星-月球,地月之間的平均距離約為地球半徑的60倍,在這範圍內,另有許多在不同軌道運行的人造衛星執行著各項任務,例如:
距地表高度約20000公里處繞行的全球定位系統衛星、距地表約36000公里遠的地球同步衛星等(圖2-2),這些環繞在地球周遭的人造衛星對於人類的生活與科學研究具有相當重大的功能性。
圖2-1 2013年7月19日卡西尼號的廣角相機拍到的土星環與地球
圖2-2 地月之間GPS衛星和同步衛星高度示意圖
全球定位系統 globalpositioningsystem,GPS
太陽為地球能量的主要來源,日地之間的太空環境並非空無一物,地球平時除了接收太陽光的照射之外,還會遭受強弱不一的太陽風吹襲。
幸運的是,地球在大氣層之外還有磁層的保護,使太陽風不會直接襲擊地球表面(圖2-3)。
磁層為地球磁場主導的區域,由於受到太陽風的磁場與帶電粒子的影響,地球磁層的形狀並非球形,其結構在向陽面較扁、背陽面則被拉得較長,若太陽風的帶電粒子進入地球的南北極區,與大氣層中的氣體發生碰撞,便會造成絢麗的極光(圖2-4)。
地球幸賴有磁層的存在,使大多數來自太陽及外太空的高能帶電粒子被束縛在磁層之中,讓地球上的生物得以穩定演化。
圖2-3 地球磁層示意圖。
來自太陽風的帶電粒子與磁場會擠壓或剝離地球磁層,造成向陽面較扁、背陽面較長的磁層結構。
圖中左側為太陽,地球的上方為北、下方為南,此處並未顯示太陽風磁場。
(未依實際比例繪製)
圖2-4 阿拉斯加的綠色壯闊極光
磁層 magnetosphere
極光 aurora
2-1.2 太陽系的組成
恆星與行星系統(0.4~30.1AU)
我們熟知的太陽系是由太陽及環繞在其周圍的眾多天體所組成,2006年國際天文聯合會(IAU)將太陽系內的天體大致分為三類:
行星、矮行星與太陽系小天體。
行星因為本身質量大而有足夠的重力凝聚成球形,也因重力夠強而能清除公轉軌道上的鄰近小天體。
太陽系的八大行星都在靠近黃道面的橢圓形軌道上運行,最靠近太陽的水星距日約0.4AU,最遠的海王星約30.1AU。
除了水星與金星外,其他行星都有各自所屬的衛星。
地球在太陽系類地行星中是獨特的天體,具有足夠的重力能抓住大氣,並有夠強的磁場屏蔽能阻擋高能帶電粒子的侵襲,避免大氣層遭受太陽風的侵蝕,而能維持適合的大氣使生命得以在地球上生養不息。
而地球與太陽維持適當的距離,則讓地球上的水能以三態共存,成為維繫生命存在的重要元素,但地球周遭的行星就沒這麼幸運了。
金星與地球同為類地行星,大小相仿、重力相近,但因距離太陽較近,約僅有0.7AU,因此太陽照射的能量使金星無法如地球般形成足夠的海洋去除溫室氣體而降溫,致使金星大氣中仍充斥著二氧化碳及其他含氮、硫的氣體。
而距離太陽較遠的火星,雖然因為表面溫度較低,可將水氣與氣體以固態冰的形式儲存於地圈之中,但因火星質量太小,且核心也已經冷卻而不具有磁場,太陽風得以侵蝕大氣層而無法保留原始大氣,故形成火星低壓低溫的環境。
除了行星與衛星之外,尚有矮行星及太陽系小天體兩種分類。
矮行星是質量略小於行星的天體,儘管自身重力足以維持其球形外觀,但卻無法清除軌道附近的其他小天體,例如:
位於小行星帶中的穀神星,或位於柯伊伯帶中的冥王星都屬於矮行星。
而若是質量與體積太小的天體,其自身的重力無法維持球形外觀,但仍會環繞太陽運行,這類的天體被歸類於太陽系小天體,包括小行星與彗星等。
目前已知的小行星大多位於火星與木星軌道之間的小行星帶中(圖2-5),另外也有與行星共用軌道、一同繞行太陽的特洛伊小行星群。
小行星主要由岩石、金屬礦物以及些許的冰所組成。
有些小行星如阿波羅與伊卡若斯,會以較橢圓的軌道運行,有些則以較偏離黃道面的軌道繞日而行。
圖2-5 太陽系的小行星大多分布在火星到木星軌道間的小行星帶(白色點狀區域),另也有小行星與行星共用軌道,如與木星共軌道位置的特洛伊小行星群(綠色點狀區域)。
行星 planet
矮行星 dwarfplanet
太陽系小天體 smallsolarsystembody
黃道面 eclipticplane
小行星帶 asteroidbelt
柯伊伯帶 Kuiperbelt
彗星 comet
特洛伊小行星群 Trojanasteroids
3分鐘實作 紙上太陽系
用一個簡單的方法就可以了解太陽系各行星之間的距離關係。
1.準備一條約40公分長的長條狀紙帶,一端寫上「太陽」,另一端寫上「冥王星」。
2.將紙帶對折後打開,在對折處寫上「天王星」。
3.把寫著「冥王星」的一端折到「天王星」的位置,打開後在對折處寫上「海王星」。
4.把寫著「太陽」的一端折到「天王星」的位置,打開後在對折處寫上「土星」。
5.把寫著「太陽」的一端折到「土星」的位置,在對折處寫上「木星」。
6.把寫著「太陽」的一端折到「木星」的位置,在對折處寫上「小行星帶」。
7.再把寫著「太陽」的一端折到「小行星帶」的位置,在對折處寫上「火星」。
8.最後是兩次對折:
將「太陽」折到「火星」的位置,然後對折處再一次折到「火星」,共會產生三個折痕。
從「太陽」的一端開始,依序在對折處寫上「水星」、「金星」以及「地球」。
延伸閱讀 太陽系的成員
太陽 中心核融合的能量藉由輻射與對流傳遞至表面,主要由氫離子與氦離子的帶電粒子所構成。
小行星帶 由岩石、金屬礦物及些許冰所構成的小天體,具有接近圓形的軌道於黃道面繞日公轉。
科伊伯帶天體 海王星軌道外側的黃道面密集天體,由岩石與冰所構成,為短週期彗星的家鄉。
歐特雲天體 主要成分為水冰、氨和甲烷等固體揮發物,為長週期彗星的家鄉。
水星 外觀特徵 有廣大平原與撞擊坑,無火山,也沒有劇烈風化、侵蝕等地質作用。
內部結構 密度高原因可能是具有巨大金屬地核。
有著來自內部極微弱的磁場。
金星 外觀特徵 表面具濃厚大氣與廣泛的火山活動,但可能缺乏地殼活動。
內部結構 無來自內部的磁場,外層磁圈來自大氣與太陽風的交互作用,也因此流失氫、氦、氧。
地球 外觀特徵 大氣作用與板塊運動造就多樣地形地貌。
內部結構 分為地殼、地函與地核,也有夠強的地磁能阻擋太陽風侵襲。
火星 外觀特徵 留有巨大火山與撞擊坑的沙漠星球,以水冰與乾冰為主的兩極冠。
內部結構 地質活動已停止,可能因此導致無磁場,造成太陽風侵蝕大氣。
木星 外觀特徵 南半球有巨大紅斑,及結晶氨形成亮帶,和硫磷成分的暗帶。
有黯淡的行星環。
內部結構 核心高壓下是緻密液態金屬氫包覆冰與岩石的核心,也可能因此造就太陽系最強的行星磁場。
土星 外觀特徵 因低密度又高速自轉,且可變性高,而形成扁橢球體,且有明顯的行星環。
內部結構 類似木星結構,緻密液態金屬氫包覆冰與岩石核心,有磁場但比木星弱。
天王星 外觀特徵 自轉軸躺在軌道平面上,擁有微弱行星環。
內部結構 岩石核心、冰的地函,以及氫氦外殼,有個非常歪斜南北不對稱的磁場。
海王星 外觀特徵 表面有大暗斑與白色雲團,擁有明顯受衛星擾動的均勻環。
內部結構 岩石核心、冰的地函,及氫氦外殼,與天王星相似,磁場軸也偏離自轉軸且複雜。
雲頂氣壓:
類木行星難以界定天體表面的位置,故一般會量測可視雲頂位置處的氣壓值作為表面氣壓。
柯伊伯帶與歐特雲(0.001~1光年)
科學家認為若行至太陽系邊緣,會發現許多更小的天體分布在30~50AU的黃道面附近,並聚集成圓盤狀,這些位於海王星軌道外的天體被稱為柯伊伯帶天體。
柯伊伯帶的分布類似小行星帶,但範圍大得多,主要是由小行星與彗星等太陽系小天體組成。
繞行太陽的小天體不只侷限於黃道面附近,在柯伊伯帶外側還有一個如球殼狀分布的廣大空間,稱為歐特雲,邊界最遠可達十萬AU,從太陽發出的光約需花費1.6年的時間才能到達,此距離即約1.6光年。
一般認為彗星是太陽系形成初期的產物,其中繞日週期小於200年的短週期彗星已被證實起源於柯伊伯帶,而長週期彗星則推測源自於歐特雲。
多次往返回歸的彗星會在軌道附近遺留微粒物質,並隨著繞行軌道而成帶狀分布(圖2-6),當地球運行經過該區域時,這些微粒物質會墜落至大氣層中,形成流星雨。
圖2-6 恩克彗星紅外線影像,可看出遺留的微粒物質分布狀況。
恩克彗星的週期僅三年多,11月的金牛座流星雨便是地球經過這些微粒物質所形成。
彗星的核心稱為彗核,主要成分為冰、塵埃、甲烷、氨等凍結的氣體,當彗星運行至太陽附近時,彗核會因為太陽光的照射及太陽風的作用而形成彗髮及彗尾,其中的彗尾又可分為塵埃尾及離子尾(圖2-7)。
1951年德國科學家比爾曼(LudwigBiermann,1907~1986)由觀察彗星離子尾的指向發現,無論彗星是接近或遠離太陽運動,其離子尾永遠都背離太陽的方向(圖2-8),因而推測是太陽風所造成的現象。
圖2-7 1996年的海爾-波普(Hale-Bopp)彗星有著明顯彎曲的白色塵埃尾,以及背對太陽的藍色筆直離子尾。
▲圖2-8 彗核附近的塵埃與冰會受太陽光及重力的作用而形成彎曲的塵埃尾,而氣體成分受太陽紫外線照射後形成離子,會在太陽風帶電粒子與磁場的作用下拖曳成筆直的離子尾。
太陽風最遠能影響到什麼地方呢?
根據航海家一號(Voyager1)在2012年與航海家二號(Voyager2)在2018年的觀測結果,證實太陽風影響的邊界約在120AU,此距離以外即進入星際空間,就非太陽風影響的範圍了。
歐特雲 Oortcloud
光年 lightyear
流星雨 meteorshower
彗核 cometarynucleus
彗髮 coma
彗尾 comettail
塵埃尾 dusttail
離子尾 iontail
星際空間 interstellarspace
2-1.3 其他更大尺度的天體
星團與星雲(10~1000光年)
大部分恆星都是與數顆恆星自成一個系統,環繞共同質心公轉,目前已知距離太陽最近的恆星為半人馬座α,約4光年遠,其為三顆恆星所共同組成。
另外有些是以數十顆至數十萬顆恆星所構成,依靠彼此間的重力牽引在一起,共同環繞銀河中心公轉,此一系統稱為星團。
科學家推論星團是由同一個巨大的分子雲演變而來,依其外觀可分為數量少且稀疏的疏散星團,通常由年輕的恆星所組成,或數量多且聚集成球形的球狀星團,是由古老的恆星所組成。
除了恆星之外,星際空間中尚有氣體與塵埃較密集的區域,在遙遠地方看起來就如同雲氣一般,故稱為星雲。
星系與銀河系(1萬~10萬光年)
星系是由眾多星雲、星團、恆星與氣體塵埃所組成,依外觀可分為橢圓星系、螺旋星系、棒旋星系與不規則星系。
科學家認為太陽所在的銀河系應為棒旋星系(圖2-9),是一個中間厚、邊緣薄的扁平盤狀結構,中間的短棒形狀是由恆星所聚集而成。
太陽系位於盤面的一條旋臂結構邊緣,與盤面上的恆星、星團、星雲及雲氣一同繞著銀河系中心運動。
▲圖2-9 銀河系結構相對位置圖。
左為側視圖,可看出中央的核心區,而塵埃會擋住可見光形成暗帶區;右為俯視面,是以已知銀河結構相對位置所繪製而成的模型圖。
宇宙大尺度結構(10萬~百億光年)
星系是構成宇宙大尺度結構的基本單位,星系間會因為彼此重力的牽引而聚集成團,稱為星系團;而由眾多星系團所聚集而成的更大系統稱為超星系團。
目前觀測到的宇宙最大尺度結構,便是由超星系團構成的網絡狀結構(圖2-10)。
是否還有其他更大尺度結構受限於現今的觀測技術而未能窺其全貌?
仍待未來科技不斷的精進,期望能如拼圖般逐漸窺見宇宙更真實的面貌。
圖2-10 有些超星系團略呈線狀排列(如紅色標記處),並構成網絡狀結構,是目前所知在宇宙中最巨大的結構。
每個藍點代表一個星系,銀河系位於正中央,紅移量表示星系的距離。
星團 cluster
疏散星團 opencluster
球狀星團 globularcluster
星雲 nebula
橢圓星系 ellipticalgalaxy
螺旋星系 spiralgalaxy
棒旋星系 barredspiralgalaxy
不規則星系 irregulargalaxy
銀河系 MilkyWay
星系團 galaxyclusters
超星系團 supercluster
科學家大啟發 馬斯克:
讓人類成為跨行星物種
從19世紀歐洲誤會火星上有運河文明開始,人類就開始嚮往火星移居與相關領域的發展。
但首先,往返火星的技術與成本便是主要的問題。
SpaceX執行長馬斯克(ElonMusk,1971~)計畫使太空探索成本下降到原來的1%,其關鍵技術便是開發可重複利用的獵鷹9號運載火箭與天龍號太空船,如此可降低火箭發射的費用與縮短再發射時間,使太空旅行的成本降至民用航空層級,估計若前往火星的總費用降至6萬美元,即能穩定營運並執行殖民任務與兩地往返。
馬斯克認為能夠促進人類向前發展的事業有5個:
網際網路、可持續能源、太空移民、生物學、人工智慧。
為了能在沒有再生能源的火星表面上移動,他認為太陽能與電動車必須有巨大突破性科技的發展,於是成立特斯拉電動車(Tesla)、超迴路列車(Hyperloop)與太陽能城市(SolarCity),逐一解決工程上的問題,往移民到其他行星的理想邁進。
這些科技目前正逐步實踐中,在眾多人們還在驚嘆「這真的可能在我們這世代發生嗎?
」的同時,已經有如馬斯克這樣的人開始投注資金並實際執行,他們初始的小小成功也激勵更多人們勇敢嘗試,我們這世代是否能順利進入下個跨行星旅行的世代,等待你我的實踐。
延伸閱讀 天體類型與尺度
說明:
由左至右天體尺度規模愈來愈小。
超星系團∕
室女座超星系團
橢圓星系∕M87
反射星雲∕IC2118
星團∕球狀星團M5
尺度
約數億光年
尺度
約數千~數十萬光年
尺度
約數十~數百光年
尺度
約數十~200光年
特徵
此為室女座超星系團的模型圖,為目前所知的宇宙最大尺度結構,具有呈線性方向延伸的獨特分布形式。
特徵
無旋臂,外觀為球形或橢圓,質量與體積較大,可能是星系合併後的產物。
特徵
本身雖不發光,但會反射或散射恆星光,可見光影像多為藍色。
特徵
恆星成員多且多為老恆星,分布於銀河盤面上下的銀暈區域。
星系團∕室女座星系團
螺旋星系∕M31
發射星雲∕NGC2244
星團∕疏散星團M45
尺度
約數千萬光年
尺度
約數千~數十萬光年
尺度
約數十~數百光年
尺度
約數十光年
特徵
由多個星系組成,彼此間以重力相互束縛的系統。
特徵
包含旋轉的盤面及質量集中的核心,並具有螺旋帶狀分布的旋臂結構。
特徵
星雲內的氣體受到附近高溫恆星的輻射激發而自行發光。
特徵
恆星數量少且普遍較年輕,主要分布於銀河盤面。
棒旋星系∕NGC1672
黑暗星雲∕Barnard72
恆星演化末期殘骸∕
行星狀星雲M27
尺度
約數千~數十萬光年
尺度
約數十~數百光年
尺度
直徑約1光年
特徵
特徵同螺旋星系,但核心部分具有較明顯的棒狀結構。
特徵
星雲內溫度低且塵埃密度高,能藉由遮蔽背景星空而被發現。
特徵
小質量恆星演化到末期時的產物,會發出許多色光。
2- 2 從地球看星空
時空觀念是密不可分的,我們所在地的時間與日地之間的相對位置有關,恆星在不同日期出現的位置似乎並不相同,這一切要由天球說起。
學習目標
◆了解天球概念的用途
◆能使用天球概念解釋天體運行動態
2-2.1 假想卻實用的天球概念
古人觀察天體的東升西落,推論地球為一切天體運動的中心,恆星彷彿鑲嵌在一個以地球為中心的巨大球殼上,繞著極軸轉動,旋轉一圈便是一天,該球殼即為天球(圖2-11)。
圖2-11 天球的概念。
從圖上可看出天北極與天南極、天球赤道與黃道,以及春分、秋分、夏至及冬至四個特殊點。
然而現今觀測證據已證實前段敘述並非事實,古人看到的天體由於距離地球遙遠而無法感受其真實的遠近,因而產生繁星分布於同一球殼上的錯覺。
天體的移動也並非繞著地球運轉,而是因為我們跟著地球由西向東轉,故造成看到的星空有東升西落的現象。
雖然天球不存在,但為了方便標定天體位置,人們仍以此為基準,在這個假想球殼上建立了座標系統。
天球是以地球為中心所投影出的假想大球,地球的赤道投影到天球上即為天球赤道,地球的自轉軸延伸至天球上即為天球的極點(圖2-11)。
就如同使用地理座標系統的經緯度來描述物體的絕對位置,天球亦使用經緯座標系統來描述天體的位置。
天球 celestialsphere
2-2.2 一日的東升西落─周日運動
若將相機朝著北方天空長時間曝光,可觀察到星星繞著共同圓心旋轉(圖2-12),這種由於地球自轉所產生的視運動即稱為周日運動。
圖2-12 (a)於鹿林山朝北方曝光2.5小時之星軌。
(b)計算圓弧對應的夾角約為37.5°。
由於恆星約經過一日後,看起來會回到原本的位置,且可在星軌照片上畫出圓弧形軌跡,因此我們可藉由量測星軌的圓弧所張開的角度來推算照片的曝光時間。
如圖2-12中,星軌軌跡圓弧所對應的圓心角約為37.5°,可估算該照片的曝光時間約為2.5小時。
再仔細觀察後會發現北極星並非一顆固定不動的光點,代表它同時也在作周日運動,這是因為北極星並非位於真正的天北極上,兩者目前相距約0.67°。
另外,若在同一地點將相機朝向不同方位拍攝,可發現每個方位所觀察到的星軌軌跡並不盡相同(圖2-13)。
圖2-13 在臺灣面向東、西、南、北不同方向時,將看到天體運動的軌跡不同。
天體東升西落,連續兩次通過子午線(正北-天頂-正南的連線)的時間間隔就稱為一日。
但由於地球自轉的同時也繞著太陽公轉,加上恆星距離地球極為遙遠,故太陽與恆星連續兩次經過子午線的時間長度並不相同。
如圖2-14所示,恆星在地球自轉一圈後已再次通過子午線,但實際上太陽卻需再多轉1°才會通過,也就是說,地面觀測者會看到恆星比太陽早了1°,約提早4分鐘便通過原位置。
由於以太陽為參考點的一日時間長度並不均等,因此將一年中每日的時間長度平均,分成24等分後,就是我們日常所使用的1小時。
圖2-14 「一日」地球自轉的角度。
地球公轉繞太陽一周約365天,每日地球繞太陽公轉的角度約360°∕365天=0.986°∕天,約等於1°∕天,因此地球自轉約361°後,才會完成以太陽為參考點的一日。
周日運動 diurnalmotion
大腦動次動
我們每天實際經過的時間是固定24小時嗎?
時鐘計時上的24小時與實際上太陽完成一天繞行的時間是否相同?
是什麼原因造成時間有不同的落差呢?
2-2.3 不同緯度的星空
在地球上不同位置所能見到的星空也會有所不同,這裡舉四個不同緯度地區的例子來作說明。
位於北緯90°(北極點)時,如圖2-15(a),天北極位於天頂,此時所能見到的天空只有北天球,天球赤道以南的南天球都在地平面以下而無法看見。
位於赤道時(圖2-15(c)),天北極位於北方仰角0°,天南極則位於正南方的地平線上,因此當天體繞著極軸東升西落時,在赤道的人可看到整個天球的天體。
若在北緯24°(圖2-15(b)),天北極位於北方仰角24°,北天球上的所有天體都有機會被觀測到,且北天球緯度66°以北範圍內的天體永遠不會落於地平面之下;但在南天球緯度66°以南的天體就無法被觀測到了。
而若在南緯66°(圖2-15(d)),天北極位於北方地平面下66°,天南極位於南方地平面仰角66°,因此這裡的人能看見南天球上所有的天體及北天球緯度24°以南的天體。
圖2-15 不同緯度的星空
2-2.4 漫步恆星間─周年運動
由於恆星在每日的同一時刻會向西偏移約1°,一個月後就會偏移約30°,一年後即會偏移約360°而回到原本的位置,因此在不同季節的相同地點與時間會看到不同的星空。
在經歷一年的運行後,恆星在相同日期、相同的時刻會回到相同的位置,這就是周年運動。
上述的參考點是以我們生活依賴的太陽而定,若是以天球為基準,太陽相對於群星是向東運行,且一週年順著黃道繞一圈,這也是周年運動的呈現,所經過的星座就稱為黃道星座。
周年運動是因為地球繞著太陽公轉所致,當地球繞行太陽,在不同位置時由地球看向太陽方向的背景星空便會有所不同。
如圖2-16所示,當地球運行至夏至時的位置,午夜出現在子午線附近的星座會是人馬座,而在西方90°的室女座正準備落於西方地平面之下,東方90°的雙魚座則將由東方地平面升起。
圖2-16 當地球公轉至不同位置,太陽投影在天球背景星空的位置也會因此改變,圖上星座邊界標示的時間是太陽投影在此位置時的日期與占星學的平均分界線日期。
但到了9月秋分時,人馬座會在黃昏時出現於天頂、而午夜時頭頂正上方的星座將會是雙魚座,此時的人馬座正準備落於西方地平面之下,而雙子座則將由東方地平面升起。
當12月地球運行至冬至位置時,人馬座將提前於中午出現在頭頂正上方,由於是白天而無法被看見,而午夜時出現在頭頂正上方的是雙子座,此時雙魚座正準備落於西方地平面之下,室女座則將由東方地平面升起。
如此週而復始,當回到隔年6月,人馬座即會再次於午夜時出現在頭頂正上方的星空。
周年運動 annualmotion
探究活動1 從星座盤看星空
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2-2.5 季節變化與晝夜長短的改變
由於天球赤道與地球繞行太陽公轉的軌道面(黃道面)並非重疊,兩者約有23.5°的夾角,因此在一年之中,太陽直射地球的緯度位置會有所改變。
如圖2-17,若觀測者位於北半球23.5°的位置,可觀察到夏至時太陽直射北緯23.5°的北回歸線,對北半球而言為夏季,南半球為冬季,此時北半球的白天比黑夜長,地表接收的太陽輻射量也最多;冬至時太陽直射南緯23.5°的南回歸線,對北半球而言為冬季,南半球則為夏季,此時北半球的黑夜比白天長,地表接收的太陽輻射量較少;春分、秋分時則是直射赤道,南、北半球晝夜長短一致,赤道地區接收到的太陽輻射量最多。
地球各緯度地區正是因為陽光直射角度的變化,一年之中所接收到的太陽輻射量與日照時數皆會有所差異,進而產生季節的變化。
圖2-17 (a)圖中由
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