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三伏天:太阳小了,天却热了
发布日期: 2022-07-14 11:27  访问量:       来源: 仪征市科协        保护视力色:

俗话说“冬练三九,夏练三伏”,一年中最热的“三伏天”就要来了。三伏天是什么?为什么这段时期炎热难耐呢?

Part.1

中国历法中的三伏天

我国古代采用“干支历”,是用10个天干(甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸)与12个地支(子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥)相配而成的60组不同的名称来记年、月、日、时,循环使用。

根据传统历法的规定,从夏至日起,第三个庚日为初伏,第四个庚日为中伏,立秋后第一个庚日为末伏,这就是“三伏天”的来历。

三伏天以庚日为始末,一般持续的时间是30天或40天。天文年历显示2022年7月16日初伏,7月26日中伏,8月15日末伏,8月24日出伏,今年“三伏”天共计40天。

那这是不是就意味着今年就一定要热40天?“三伏天”炎热的原因又是什么呢?我们或可想起《列子·汤问》中的名篇《两小儿辩日》里的场景:

孔子东游,见两小儿辩日,问其故。

一儿曰:“我以日始出时去人近,而日中时远也。”

一儿曰:“我以日初出远,而日中时近也。”

一儿曰:“日初出大如车盖,及日中则如盘盂,此不为远者小而近者大乎?”

一儿曰:“日初出沧沧凉凉,及其日中如探汤,此不为近者热而远者凉乎?”

孔子不能决也。

两小儿笑曰:“孰为汝多知乎?”

三伏天的炎热,难道真是因为太阳变大或者地球离太阳更近的缘故吗?

Part.2

天太热跟太阳大小没关系

其实,太阳是一颗正处于主序星阶段的中年时期的恒星,这一阶段的太阳燃烧稳定,体积变化非常小,因此在一天里、甚至一年里太阳自身大小的变化是微不足道的。

太阳的辐射强度也很稳定,即使太阳表面常有黑子等太阳活动的缘故,一年当中的变化幅度也仅仅1%左右,显然这不是三伏天炎热的原因。

那会不会是这段时期地球距离太阳更近了呢?

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二十四节气与地球轨道关系 图源:作者绘制

也不是。实际上,这段时间里日地距离要比平时远。地球围绕太阳运行的轨道并非正圆形,而是一个偏心率为0.0167的椭圆。

日地距离平均约为1.496亿千米,远日点时的日地距离为1.521亿千米,近日点时的日地距离为1.471亿千米,远日点比近日点远了约500万千米,即平均距离的1/30。

地球过轨道远日点是在7月上旬,过近日点在1月上旬,因此三伏天的这段时间里日地距离是比平均距离远的。

“远者小而近者大”,今年,地球运行到远日点的时刻是北京时间7月4日15时11分,三伏天里的太阳其实是个“小太阳”而不是“大太阳”。因距离变化引起的太阳辐射相对减少了约6%,这显然也不是三伏天的成因。

此外,椭圆的轨道还导致了太阳周年视运动的不均匀性。地球经过远日点时速度最慢,经过近日点时最快,各季节间的间隔长度也不相等。

如2021年秋分到2022年春分共经过178天20小时12分,而2022年春分到2022年秋分共经过186天9小时31分。此外,北半球的夏季也要比冬季时间长。

Part.3

“三伏天”炎热的原因找到了

回答“三伏天”炎热的问题,需要了解四季变化的原因。

这一切的根源在于地球的轨道特征。地球在围绕太阳公转的同时,也在围绕地轴自转。地球围绕太阳公转的轨道面叫做黄道面,过地心且与地轴垂直的平面叫赤道面,这两个平面目前有一个23°26′的交角,叫做黄赤夹角。

正是这个交角的存在,使得一年当中,随着地球位于轨道的不同位置,太阳的直射点在地球的南北纬23°26′之间移动。

当太阳照射到北纬23°26′(北回归线)时称之为夏至;照射到南纬23°26′(南回归线)时为冬至,照射到赤道时为春分/秋分。

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夏至时太阳辐射示意图 图源:作者绘制

夏至时,北半球白天的太阳高度大,日照时间长。以南京地区为例,夏至日,中午太阳高度约为82度,白天时长有14小时15分。

对比冬至日,中午太阳高度约为35度,白天时长仅有10小时04分。因此夏至时地表单位面积获得的太阳辐射能量最多,约为冬至日时的三倍,并且纬度越高这个比值越大。接收太阳辐射的多少正是四季变化的主要原因。

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在一天中同一时刻拍摄到的四季太阳位置

来源:科普中国-科学原理一点通

但是,北半球最热的时间并不是在夏至,而是夏至之后的一段时间。因为气温的变化还受地表热量收支平衡的影响。

一般夏至后的一段时间里,地面吸收的热量仍大于它所放出的热量,地面温度持续升高,这段时间差不多正好对应传统历法里“三伏”这段时间,因此造就了北半球“三伏天”的炎热。

这之后,地面放出的热量大于地面吸收的热量,气温才逐渐降低。

当然,对于局部地区来讲,大气环流、海陆差异、地形因素、天气情况等都是影响气温的因素,最热的时候也并非与‘三伏’日期相对应。

话说回来,你是怎样来消暑的呢?

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编辑:王婷婷

出品:科普中国

制作:王科超(中科院紫金山天文台)

监制:中国科普博览

文章仅代表作者观点,不代表中国科普博览立场

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