太阳在天空中的轨迹 - 戈登·威廉姆森

观看完整课程：http://ed.ted.com/lessons/the-sun-s-surprising-movement-across-the-sky-gordon-williamson

假设你把一个相机放在一个固定的位置，每天在同一时间拍一张天空的照片，整整一年，然后把所有的照片相互叠加起来。太阳在这张组合图中会是什么样子？一个静止的点吗？一个圆形的路径？两者都不是。奇怪的是，它形成了一个“8字形”的图案，被称为“日行迹”。戈登·威廉姆森在课程中将为我们解释其原因。

课程教授：戈登·威廉姆森 动画制作：TED-Ed

假设你把相机放在一个固定位置，

每天都在同一时间对着天空拍照，

一年后

把所有照片按时间顺序重叠起来。

太阳的轨迹会是什么样子的呢？

一个固定的点？

一个圆圈？

都不是。

让人吃惊的是，
太阳的轨迹形状是一个“8”

这也被称作日行迹。

但是为什么会如此呢？

地球的运动包含很多圈。

首先，地球每24小时
围绕地轴自转一圈，

于是有了日出和日落。

同时，地球还在以较慢的速度
围绕太阳旋转，

大约365天绕太阳一周。

不过有一个不一致，

和地球公转的轨道平面相比，

地球的自转轴不是指向北极的，

相反，有23.4°的倾斜。

这也被称作“轴倾角”。

一个23度的倾斜本没什么大不了，

但正是这个倾斜，
使得我们有了一年四季，

因为在地球围绕太阳公转时，

自转轴始终是往一个方向倾斜，

所以，每一年有段时间，
北半球白昼更长，

也就是北半球往太阳那边倾斜，

而南半球向另一面倾斜。

反之亦然。

这也是我们经历的冬天和夏天的原因。

在某个半球的夏季，

太阳在天空中显得位置更高，
也使得白昼更长，更暖和。

一年中会有一天，
太阳在我们看来的倾斜度，

也就是赤道和

公转平面的角度

达到了最大数值，
这时，太阳仿佛正当头顶，

这一天被称作“夏至”，
一年中最长的一天，

也是太阳看起来最高的一天。

所以地球的自转轴的倾斜

能够部分解释太阳
在天空中位置变化的原因，

日行迹的长度

也代表了太阳在一整年

倾斜的46.8°的角度。

但是为什么是“8”字形，
而不是一条直线呢？

这是因为地球旋转的另一个特征，

轨道偏心率。

地球围绕太阳旋转的轨道是一个椭圆，

所以与太阳的距离是不断变化的。

相应的地球引力的变化

使地球在一月时公转更快，

也就是到达离太阳最近的点时，

这个点被称作“近日点”，

到达离太阳最远的点时，公转最慢，

这个点也被称作“远日点”。

地球的椭圆运动意味着，太阳的正午，

也就是太阳在天空中最高的时候，

并不是总是在每一天的固定时间。

所以太阳时间和时钟时间相比，
可能会提前16分钟，

或是推迟14分钟。

事实上，时钟的时间和
太阳时间一年只会重合四次。

日行迹的宽度正体现了这种偏离的程度。

那么，过去人们
是怎么判断正确的时间呢？

在人类历史上，大多数时间

都是通过太阳的位置来判断时间的。

但是到了现代，

日晷测量的时间和机械时钟的时间
之间的差异变得越发重要了。

“均时差”概念，由托勒密发明

后来由约翰尼斯·开普勒进行的改良，

包含了太阳时间和平均时间的差距，
是我们现在主要使用的时间概念。

曾经的地球仪上面还会印上日行迹，

使人们能知道

钟表时间和太阳时间的差距。

日行迹的形状对于
各地的人来说不完全相同。

倾斜的角度取决于你在的纬度，

南半球和北半球的人
测出的形状还会是颠倒的。

如果你在另一个星球，

可能还会发现形状完全不同。

根据那个星球的离心率和
自转轴的倾斜角度，

日行迹可能是泪珠、椭圆

甚至是直线。