飛行員和宇航員眼中的晝與夜

浙江省衢州第二中學（324000） 金子興 魏 華

浙江省龍游縣第二高級中學（324400） 戴周麗

飛行員和宇航員眼中的晝與夜

浙江省衢州第二中學（324000） 金子興 魏 華

浙江省龍游縣第二高級中學（324400） 戴周麗

晝夜交替現象與晝夜長短現象是地球運動的產物。我們平時所說的晝夜交替周期和晝夜長短的情況，是以地球上的一個地點為參照物得出的，或是指“靜止”的人類所看到的。但對于飛行中的宇航員和飛行員而言，他們眼中的晝與夜與地表“靜止”的人相比，有極大差異。

一、飛行員眼中的晝與夜

飛機是在對流層或平流層中飛行，在飛行時，飛行員看到的地球是靜止的。可地球卻以一定的線速度在自轉。因而飛行員經歷的晝夜交替現象與我們平時所經歷的大不相同。

1. 飛行員眼中的晝夜交替

飛機飛行方向各異。為減少復雜性，先假設飛機向東飛或向西飛。

例1．一架飛機向西飛行（飛行速度小于地球自轉速度），飛行員連續測得從正午到正午的時間間隔

A． 大于一個太陽日

B． 小于一個太陽日

C． 等于一個太陽日

分析：如圖1-1，地球上一點P，上空有一架飛機a，飛機以V1的速度向西飛行，此時太陽位于點P、飛機a的正中天。經過一段時間后，由于地球自西向東的自轉速度快于飛機的飛行速度，因此飛機在P點的西面（圖1～2所示）。這樣，當太陽再一次位于P點的正中天時，飛行員還沒有看到太陽在正中天（圖1-3所示）。

因此，在飛行速度小于地球自轉速度的情況下，向西飛行時，飛行員眼中的一天應比一個太陽日要稍長。反之則短。本題選A。

圖1-1

圖1-2

圖1-3

例2．一架飛機于春分日某地當地時間6時起飛，向東飛行24小時回到原地，則飛行員在飛行過程中測到的一個太陽日為_______小時，能看到____次日出，經歷了小_______時晝長。

特別地，當飛機向西飛行時。如果飛機飛行速度小于地球自轉速度，便是例1的情況。如果飛行速度等于地球自轉速度，此時，飛行員晝夜交替的周期是無窮大（即沒有晝夜交替現象），也即飛行員看到的都是同一種景象（如所到之處全是日出或日落或正午）。如果飛行速度大于地球自轉速度，則飛行員又能經歷晝夜交替現象，不過所看到的日出方向和靜止的人類剛好相反。如果是春秋分日，飛行員便能看到太陽從西邊出來的情景。

如果飛機沿經線圈飛呢？由于不同的緯度地區，晝夜長短不同，則晝夜交替具有復雜性。因而飛行員看到的晝夜交替周期、日出、日落更具有復雜性與抽象性。既然晝夜交替現象是由地球自轉運動和飛機飛行共同造成的，那么我們若能畫出飛機在飛行過程中，隨著地球自轉的形象直觀圖，問題便能化難為易。

例3． 一架飛機位于赤道某地于春分日日出時出發，開始向北沿經線圈飛行，24小時后回到了原地，求飛行員經歷的晝夜更替周期，并判斷飛行員看到日出、日落時的方向（春分日那天，太陽直射點近似地看作位于赤道上，飛機距地面的距離忽略不計）。

分析：設飛機于圖2中A點起飛，此時飛行員看到第一次日出，日出正東，飛行6小時后，飛機到達北極點（圖4），此時太陽在南方的地平線上；此6個小時飛機在晝中飛行（圖2～圖4）。到達北極點后，沿著180°經線飛行6小時后到達赤道（圖6），此6個小時飛機在夜中飛行（圖4～圖6），飛行員再一次到達赤道看到太陽從正西方落下。飛機越過赤道后，繼續向南飛行6小時后，到達南極點（圖8），此6個小時飛機在晝中飛行（圖6～圖8），此時飛行員在南極點看到太陽在北方落下；越過南極點后，飛行沿著0°經線飛行6小時后回到了原地（圖10），此6個小時飛機在夜中飛行（圖8～10圖），此時飛行員在原地又一次看到太陽在東方地平線上升起。

因此飛行員經歷的晝夜更替周期為12小時，在極點看到日落，在赤道看到日出。

2. 飛行員眼中的晝夜長短

飛機是地球的一部分，距地球表面飛行時高度不高，可以看成是沿地表飛行，因此在向東或向西飛行過程中，其晝長與夜長的比例與地球表面上的地點是一致的。只是由于晝夜交替的周期在變化，因此飛行員一個晝夜經歷的晝長和夜長的時數也在變化。

上面分析比較抽象，可以通過圖示的方法進行形象的示意。如圖11。設飛機在0°經線赤道上空開始飛行，此時飛行員看到第一次日出（圖11-1所示）。由于地球自西向東自轉，地球上的人不能觀察到地球自轉，只看到晨昏線向西運動，由于飛機向東飛行的速度和地球自轉的速度相同，因此，經6個小時的飛行后，到達90°E上空，此時昏線到達90°E，飛行員第一次看到日落，晝長6小時（圖11-1～圖11-2）。依次類推，進行直觀便可得出相同的結論。

二、宇航員眼中的晝與夜

飛機是地球的一部分，相對于飛機來說，地球是靜止的。而飛船則是繞地球公轉的，在飛行時，已成為地球的一顆衛星。飛船在公轉時，地球也在自轉。因而當飛船繞地球公轉一周后，地球已往東自轉了一定的角度，在地球上觀察，飛船飛行軌道有明顯的向西移動的規律（如圖12）。

圖11

圖12

因此，宇航員經歷的晝與夜于飛行員存在著巨大的差別。

1. 宇航員眼中的晝夜交替圖13

圖13

圖13中，F為太陽直射點，C、A、E、D所在的大圓為晨昏線，飛船沿著A、B、D所在的大圓自東北—東南方向繞地球公轉。一天中，由于太陽直射點不變，晨昏線所在的空間位置是不變的，所以當飛船飛至A時，迎來日出，飛至D時，迎來日落。于是，對于宇航員來說，飛船繞地球公轉一周，宇航員就經歷了一次晝與夜的交替。也即晝夜交替周期=飛船的公轉周期。

我國的“神舟”系列飛船，繞地球一周的時間約90分鐘，晝夜交替周期極短，會對宇航員的生理造成一定的影響。

2. 宇航員眼中的晝夜長短

當太陽直射在F點時，南半球晝長夜短，北半球晝短夜長。宇航員眼中的晝夜長短與地表是否一致呢？圖13中，由于晨昏圈和飛船飛行軌道都是大圓，因此兩個大圓必定相互平分（A、D平分飛行軌道）。飛船在A、B、D軌道飛行時，處在晝半球，反之，處在夜半球。因而宇航員一晝夜中，經歷的晝與夜是平分的。考慮到飛船離地表有一定的高度，實際上的晝比夜略長些。

飛船一般在距地表300km至700km左右繞地球公轉。根據飛船公轉線速度與離地球的距離成反比的原理可知，飛船距地表越近，公轉速度越大，所需要的時間就越短，宇航員眼中的晝夜長短也就發生變化。一般而言，在近地點的半圓比在與遠地點的半圓所需時間要略短些。如果在近地點時恰好在夜半球飛行，在遠地點時恰好在在晝半球飛行，結合飛船有一定的高度，那么宇航員經歷的晝長必定長于夜長。

總之，地球上的晝夜交替與長短現象，是中學地理的重要內容，與我們的生產與生活密切相關。由于它的產生會受到各種因素的影響，其規律有一定的復雜性，是中學地理的難點內容。加上飛機與飛船本身的運動，使其規律又增添了復雜性。總結飛行員、宇航員眼中的晝與夜的規律，恰恰也表明了教師在教學中創造性的開發了教材，使其教學能體現時代性，做到與時俱進！