Tại sao hoàng hôn dài hơn vào mùa hè so với mùa đông và ngắn nhất ở điểm xuân

Gần đây tôi đã quyết định đặt đồng hồ báo thức để đánh thức tôi khi trời "tối". Cuối cùng, tôi quyết định đặt đồng hồ của mình về thời gian sớm nhất mà mặt trời mọc hải lý ở tiểu bang của tôi (Illinois) và gắn bó với điều đó cả năm.

Trong khi thực hiện một số nghiên cứu cho điều này, tôi nhận thấy một điều làm tôi ngạc nhiên. Kiểm tra sự chênh lệch này giữa mặt trời mọc thiên văn với mặt trời mọc dân sự cho các mặt trời và xích đạo (hai cái sau được điều chỉnh theo thời gian tiết kiệm ánh sáng ban ngày):

Ngày / Thiên văn / Dân sự / Chênh lệch

• 20/12: 0533 - 0640 (67 phút)
• 20 tháng 3: 0526 - 0630 (64 phút)
• 20 tháng 6: 0320 - 0451 (91 phút)

Thành thật mà nói, các bộ phạm vi này làm tôi ngạc nhiên vì nhiều lý do. Tôi rõ ràng không biết những gì tôi không biết, nhưng đây là một số câu hỏi tôi có thể đặt ra:

1. Tại sao hoàng hôn sẽ dài hơn vào mùa hè so với mùa đông? Trước khi xem dữ liệu này, tôi đã giả định rằng vì mặt trời tạo ra một con đường vuông góc hơn qua đường chân trời vào mùa hè nên hoàng hôn sẽ ngắn hơn vào mùa hè so với mùa đông. Rốt cuộc, vào mùa đông, mặt trời đi theo một con đường "xéo" ngang đường chân trời. Con đường của mùa hè sẽ không trực tiếp hơn và do đó nhanh hơn?
2. OK: nhìn thấy bằng chứng thực nghiệm này, tôi kết luận rằng có gì đó không đúng với tiền đề của tôi tạo thành câu hỏi đầu tiên của tôi. Hoàng hôn mùa hè dài hơn mùa hè so với mùa đông. Tuy nhiên, tôi vẫn sẽ cho rằng ngày 20 tháng 3 sẽ có một chiều dài chạng vạng ở giữa hai ngày. Nhưng không phải vậy! Tại sao Equinox có hoàng hôn ngắn nhất?

Bổ sung 5/13/2014:

Tôi không muốn để lại tuyên bố không chính xác ban đầu của mình ở đây mà không gắn cờ nó. Như Cheekhu chỉ ra bên dưới, mặt trời không đi theo con đường vuông góc hơn vào mùa hè so với mùa đông, như tôi đã giả định sai và nêu ở trên. Xem bài viết của anh ấy để biết thêm chi tiết.

Xem sơ đồ này,

Bây giờ, xiên có vẻ giống nhau cho tháng 6 và tháng 12, phải không? Điều đầu tiên, đó là một quan niệm sai lầm rằng Mặt trời di chuyển "vuông góc" hơn với đường chân trời vào mùa hè. Nó chỉ đạt đến một điểm cao hơn như bạn có thể thấy, không phải là nghiêng nhiều hơn.

Trường hợp chênh lệch đi vào đâu?

Mặt trời mọc dân sự bắt đầu khi Mặt trời thấp hơn 6 ° so với đường chân trời, Mặt trời mọc Na hải bắt đầu khi nó thấp hơn 12 ° so với đường chân trời và 18 ° đối với Mặt trời mọc Thiên văn.

Vì vậy, sự chênh lệch dân sự / thiên văn là do độ cao thêm 12 ° mà Mặt trời phải che. Bây giờ, sơ đồ tôi đã đăng là tốt hơn để giải thích hoàng hôn, vì vậy hãy để nó là như vậy. Nó chỉ giống nhau cho mục đích của chúng tôi.

Chuyển động của mặt trời là đồng nhất dọc theo các vòng tròn mà bạn nhìn thấy. Nhưng những góc quyết định mặt trời mọc của chúng ta được đo vuông góc với đường chân trời, từ thiên đỉnh. Bạn có biết những gì xảy ra khi bạn chiếu chuyển động tròn dọc theo một đường thẳng?

Đúng rồi. Bạn có được một đường cong hình sin. Điều đặc biệt về đường cong này là nó thay đổi nhanh ở một số điểm và chậm ở những điểm khác. Quá cảnh là vị trí khi Mặt trời cao nhất trên bầu trời. Trong đường cong cho Equinox (như trong Hình 1), nếu bạn gán 0 ° cho điểm đó, Mặt trời ở 90 ° vào lúc hoàng hôn và -90 ° khi mặt trời mọc. Cả hai vị trí đều cho bạn đỉnh của một đường cong hình sin và sự thay đổi là thấp nhất tại điểm đó. Điều đó có thể giải thích tại sao bạn nhận được sự khác biệt ít nhất tại Equinox.

Bây giờ, nếu bạn xem xét các đường cong cho ngày Hạ chí tháng 6 / tháng 12 (như trong Hình 1), vị trí cho hoàng hôn / mặt trời mọc hơi lệch 90 °, do đó tốc độ thay đổi ở đó nhanh hơn so với Equinox.

Điều đó sẽ giải thích tại sao sự chênh lệch lớn hơn tại các điểm so với Equinox. Nhưng những gì về sự khác biệt trong tháng sáu và Decemeber?

Bây giờ, em yêu, em đang đi vào vùng lãnh thổ nguy hiểm. Hãy để tôi nhắc bạn rằng đường thẳng / mặt phẳng mà chúng ta đang thực hiện các phép đo độ của chúng ta vuông góc với đường chân trời. Nhưng mặt phẳng của chuyển động tròn vẫn nằm ở một góc với nó. Vì vậy, đường cong hình sin phải trải qua một loạt các hình chiếu khác trước khi bạn có được điều chính xác. Trên Xích đạo, sự chênh lệch giữa các vị trí tan biến, vâng, như hai mặt phẳng đã nói ở trên.

Dù sao, tôi đã hy vọng cung cấp cho bạn một mô tả định tính chỉ để bạn có được ý chính của nó. Dưới đây là các phương trình nếu bạn cần một ý tưởng toán học

$a$ là (90 + 6) ° cho mặt trời mọc / bộ dân dụng và (90 + 18) ° cho mặt trời mọc / bộ mặt trời,

$\delta$ là sự suy giảm của Mặt trời vào ngày đó. Google nó.

$\phi$ là vĩ độ của địa điểm

Để có được sự chênh lệch, bạn cần tìm từ công thức cho hai giá trị của và nhận được sự khác biệt của chúng. Nhớ chia cho 15 để chuyển đổi từ độ sang giờ.$H$$a$

Dưới đây là biểu đồ cho thấy sự chênh lệch dọc theo sự suy giảm (-23,5 ° đến + 23,5 °)

Đây thực sự không phải là một câu trả lời, nhưng nhiều hơn về trực quan hóa (nhấp vào kích thước đầy đủ 1024x768) dựa trên các công thức từ phương trình Need Simple cho Tăng, Chuyển tuyến và Đặt thời gian - hy vọng nó sẽ giúp

Tôi có một người bạn là giáo sư thiên văn học. Tôi đã chỉ cho anh ấy bài đăng này và anh ấy đã chia sẻ một câu trả lời tôi sẽ thay mặt anh ấy trong trường hợp nó hữu ích cho người khác. Bình luận của ông ở đây tham khảo sơ đồ đầu tiên được đăng bởi Cheeku.

Một cách dễ dàng hơn để thấy điều này là nhìn vào các vòng tròn mà Mặt trời tạo ra ở các độ phân giải khác nhau (góc phía bắc hoặc phía nam của đường xích đạo). Vòng tròn lớn nhất là khi Mặt trời nằm ở xích đạo thiên thể, tương ứng với các xích đạo. Vì Mặt trời cần hoàn thành vòng tròn của nó trong 24 giờ bất kể vòng tròn đó lớn đến mức nào, chuyển động hàng ngày của Mặt trời sẽ nhanh nhất ở gần xích đạo và do đó, hoàng hôn sẽ là ngắn nhất sau đó. So sánh hai điểm, sự khác biệt chính là vào mùa hè, Mặt trời không đi quá xa so với đường chân trời trước khi nó quay lại và bắt đầu mọc. Chuyển động thẳng đứng của nó vào ban đêm vì thế rất chậm. Điều đó làm cho hoàng hôn dài nhất vào mùa hè.