1、“白夜”现象的原理与规律剖析上海市北郊高级中学 周义钦漠河的白夜景观夕阳西下以后，暮色迟迟不愿褪去；而曙光渐渐升起，两者逐渐相互融合，白茫茫，亮堂堂，这就是天文学上的“白夜”现象。这种夜晚，人们可以不必借助灯光而跟白天一样从事各种活动。白夜是由于地轴偏斜和地球自转、公转的关系，太阳光经大气光学作用而形成的，具有明显的地理规律。一、白夜的定义及成因根据辞海的表述，白夜为“高纬度地区夏季特有的不黑之夜” 辞海，1999年版缩印本P2125。，前一天的黄昏尚未结束，次日的黎明便接踵而来，通宵达旦，天空不黑，故谓之白夜。这在现象上是晨昏蒙影的表现，与当地经纬度、季节和海拔高度以及气象条件等有关。白夜的
2、出现，主要是由于地球外围被一层厚厚的大气层包围着。高空大气对于处在地平线以下的太阳光具有折射和散射的作用。早晨，太阳还未升上地平线之前，人们就已感到天亮了；傍晚，太阳虽已落入地平线以下很久，但天空仍是久久黑不下来这种日出前和日落后天空发亮的现象，我们称之为“晨昏朦影”。在日出前叫“晨光”，日落后叫“昏影”。一般以太阳中心在地平线下18为天文晨光和昏影的界限。也就是说只有当太阳中心位于地平线下18，天空才会进入真正的黑夜。如果日落以后到次日日出以前太阳都不低于地平线下18，就会发生白夜整个夜晚天空都会呈现出黄昏或黎明的景色。所以，在较高纬度地区，当子夜零点，太阳光在地平线下的角度小于或等于18时
3、，黄昏和黎明便连在一起，便形成奇特的“白夜”现象。二、白夜现象的具体表现1、纬度分布夏至日北半球（部分夜半球）的等太阳高度线ABC9066.5-180-9023.5000D48.5N白夜奇景出现在纬度48.5以上的高纬度地区。现用等太阳高度线的方法分析如下：白天的太阳高度为正值，晨昏线上太阳高度为0，那么夜晚的太阳高度在地平线以下，为负值。昼半球的等太阳高度线是以太阳直射点为中心、向外呈太阳高度递减的同心圆。那么，夜半球的等太阳高度线是以太阳直射点的对趾点为中心，向外呈太阳高度递增的同心圆。如“夏至日北半球（部分夜半球）的等太阳高度线示意图”所示，夏至日（6月22日前后）太阳直射在北回归线上，
4、图中“-90”处为太阳直射点的对趾点，弧BAC的太阳高度为0，弧BAC以内的部分为夜半球。A点位于北极圈上，地方时为零点，刚刚发生极昼；D点位于48.5N，此时的太阳高度为-18，AD的太阳高度差为18。这样，图上“0”和“-18”等太阳高度线之间的区域即晨昏朦影区，弧BDC（北极圈）与弧BAC之间的地区为白夜范围。由此可知，夏至日48.5N是白夜发生的最低纬度，纬度高于48.5N的地方，便没有真正的黑夜；到了北极圈（66.5N）及以北地区，就成为极昼了。同理，在南、北极圈以内的地区，当子夜的太阳高度小于“0”大于等于“-18”时，即太阳仍位于地平线以下，虽然不是极昼现象，但已处于晨昏朦影区，
5、同样为白夜。所以，在纬度分布上，白夜主要出现在极昼区的外围地区（从极昼区的最低纬度向低纬方向延伸18个纬度的地带）。2、季节变化北纬48.566.5之间的地区，白夜出现在夏至日前后；南纬48.566.5之间的地区，白夜出现在冬至日前后。南北极圈以内的地区，白夜出现在当地极昼期的前后阶段，分别长达二个月左右。在极圈以外，纬度越高，白夜出现的天数越多，天空也越亮。在南、北纬50处，白夜可持续一个半月。我国黑龙江漠河地区地处北纬53，每年出现白夜约为74天。在极圈以内，除极昼现象外，白夜的时间皆长达4个月左右。三、白夜与极昼、极夜的关系白夜是大气折射和散射等光学作用导致的夜晚天空明亮的现象，即天空通
6、宵处于晨昏朦影状态。极昼是出现在极圈范围内的一种“太阳终日不落”的现象；极夜则相反，是出现在极圈范围内的一种“终日不见太阳”的现象。白夜与极昼、极夜三者之间存在着一定的区别与联系。1、白夜与极昼白夜与极昼的关系紧密，在某种角度上，可以说白夜是极昼的“副产品”或“衍生物”，在极昼区的外围一定有白夜现象，在极昼期的前后也一定有白夜现象，且都主要发生在夏半年。但二者也有一些差异。（1）在现象上：极昼是太阳处于地平线之上，是一种“太阳不落”或是“太阳终日在地平线上兜圈子”的现象。白夜是太阳虽处于地平线以下，但“夜空仍然明亮”的现象。（2）在光源上：极昼时的光照是太阳在地平线之上发出来的“本光”，因为这
7、是在“白天”。白夜时虽然天空仍然明亮，但毕竟是大气的折射和散射光，处于“朦影状态”。所以，在亮度上，两者是不一样的。（3）在纬度分布上：极昼只出现在南、北极圈以内，范围较小。白夜既可以出现在极圈内，也可以发生在极圈外，理论上处于极昼区的外围，其发生范围可以由南、北极点外延至南、北纬48.5的地带，范围较大；纬度越高，亮度越亮，白夜持续期也越长。（4）在季节变化上：北极圈内的极昼只出现在夏至日前后，南极圈内的极昼只出现在冬至日前后，极昼期的长短随着纬度而变化纬度越高，极昼的持续期也越长。南、北极圈内的白夜总是出现在极昼期前后，持续期皆为4个月左右；极圈外的白夜，北半球发生在夏至日前后，南半球则发
8、生在冬至日前后，纬度越高，亮度越亮，持续期也越长。2、白夜与极夜白夜与极夜的差异较大。除分布的纬度范围大小等差异外，在现象上，白夜为天空不黑，极夜是天空不白（亮）；在纬度分布上，北极地区为极夜时，白夜则主要分布在南半球；在发生季节上，白夜主要出现在夏半年，极夜则主要出现在冬半年。以上几方面，白夜与极夜几乎都是相反的，但二者也有内在的联系。（1）对象一致：白夜和极夜都是对天空明亮程度的反映，都发生在夜半球，只不过极夜为全天皆处于夜半球。（2）现象共生：极夜时也有天空不黑的情况，即有白夜现象。极夜区虽然整天不见太阳，但在当地的正午时分，当太阳光在地平线下的角度小于或等于18时，便出现白夜现象。夏至
9、日南半球（部分昼半球）的等太阳高度线SBCA66.584.59023.590-1801200D现同样用等太阳高度线的方法分析如下：如“夏至日南半球（部分昼半球）的等太阳高度线”所示，图中“90”处为太阳直射点（23.5N），D点位于南极圈上，地方时为12点，此时的太阳高度为0；“0”太阳高度线以外的部分为夜半球，D点刚刚发生极夜；弧BAC的太阳高度为-18在三维立体视图情况下，-18的等太阳高度线圆圈要小于0的圆圈，本图仅为二维的原理示意图。，AD的太阳高度差为18，A点的纬度为84.5S。这样，图上“0”和“-18”等太阳高度线之间的区域即晨昏朦影区，弧BDC（南极圈）与弧BAC之间的地区出
10、现白夜范围。由此可知，夏至日66.5S是南半球白夜发生的最低纬度，纬度高于84.5S的地方，便为真正的黑夜这里和下文中的“真正的黑夜”指没有白夜的极夜。同理，在南、北极圈以内的极夜期间，当正午的太阳高度小于“0”大于等于“-18”时，即太阳仍位于地平线以下，虽然仍是极夜现象，但已处于晨昏朦影状态，属广义的白夜。所以，在纬度分布上，极夜时的白夜主要出现在极夜区的内围地区（从极夜区的最低纬度向高纬方向延伸18个纬度的地带）。其中南、北纬66.584.5之间的地区，白夜只出现在当地冬至日前后白天的正午前后，且纬度越高，白夜出现的天数越多，持续的时刻越长，但天空越来越暗。南、北纬84.5至南、北极点之
11、间的地区，白夜出现在当地真正黑夜的前后阶段，白夜出现的天数分别长达二个月左右；随纬度增加或接近当地冬至日时，每次持续的时刻也越来越长，甚至整天皆为白夜。至南北两极，理论上长达半年的极夜期间，实际上大部分时间为连续的白夜，长达四个月左右；那里真正的黑夜，每年只有二个月左右。据上分析，高纬地区一年中有两类白夜，一类发生在夏半年，一类发生在冬半年，分别与极昼和极夜现象相关。现将这两类白夜比较如下表所示：项目与极昼相关的白夜与极夜相关的白夜现象整个夜晚天空不黑白天或全天天空不黑发生时间季节夏半年冬半年日期当地夏至日前后当地冬至日前后时刻当地子夜前后当地正午前后纬度分布范围南北纬48.5至极点之间南北纬66.5至极点之间规律极昼区的外围地区极夜区的内围地区季节变化时段极昼前后阶段极夜前后阶段规律纬度越高，天数一般较多，持续时刻一般较长亮度变化纬度越高，天空越亮纬度越高，天空越暗白夜是一种自然现象，它和极昼极夜现象一样，具有其内在的天文学原理及规律。限于学术水平，上述剖析恐有不妥之处，恳请专家、读者指正为盼。