飞行员和宇航员眼中的昼与夜

浙江省衢州第二中学（324000） 金子兴 魏 华

浙江省龙游县第二高级中学（324400） 戴周丽

飞行员和宇航员眼中的昼与夜

浙江省衢州第二中学（324000） 金子兴 魏 华

浙江省龙游县第二高级中学（324400） 戴周丽

昼夜交替现象与昼夜长短现象是地球运动的产物。我们平时所说的昼夜交替周期和昼夜长短的情况，是以地球上的一个地点为参照物得出的，或是指“静止”的人类所看到的。但对于飞行中的宇航员和飞行员而言，他们眼中的昼与夜与地表“静止”的人相比，有极大差异。

一、飞行员眼中的昼与夜

飞机是在对流层或平流层中飞行，在飞行时，飞行员看到的地球是静止的。可地球却以一定的线速度在自转。因而飞行员经历的昼夜交替现象与我们平时所经历的大不相同。

1. 飞行员眼中的昼夜交替

飞机飞行方向各异。为减少复杂性，先假设飞机向东飞或向西飞。

例1．一架飞机向西飞行（飞行速度小于地球自转速度），飞行员连续测得从正午到正午的时间间隔

A． 大于一个太阳日

B． 小于一个太阳日

C． 等于一个太阳日

分析：如图1-1，地球上一点P，上空有一架飞机a，飞机以V1的速度向西飞行，此时太阳位于点P、飞机a的正中天。经过一段时间后，由于地球自西向东的自转速度快于飞机的飞行速度，因此飞机在P点的西面（图1～2所示）。这样，当太阳再一次位于P点的正中天时，飞行员还没有看到太阳在正中天（图1-3所示）。

因此，在飞行速度小于地球自转速度的情况下，向西飞行时，飞行员眼中的一天应比一个太阳日要稍长。反之则短。本题选A。

图1-1

图1-2

图1-3

例2．一架飞机于春分日某地当地时间6时起飞，向东飞行24小时回到原地，则飞行员在飞行过程中测到的一个太阳日为_______小时，能看到____次日出，经历了小_______时昼长。

特别地，当飞机向西飞行时。如果飞机飞行速度小于地球自转速度，便是例1的情况。如果飞行速度等于地球自转速度，此时，飞行员昼夜交替的周期是无穷大（即没有昼夜交替现象），也即飞行员看到的都是同一种景象（如所到之处全是日出或日落或正午）。如果飞行速度大于地球自转速度，则飞行员又能经历昼夜交替现象，不过所看到的日出方向和静止的人类刚好相反。如果是春秋分日，飞行员便能看到太阳从西边出来的情景。

如果飞机沿经线圈飞呢？由于不同的纬度地区，昼夜长短不同，则昼夜交替具有复杂性。因而飞行员看到的昼夜交替周期、日出、日落更具有复杂性与抽象性。既然昼夜交替现象是由地球自转运动和飞机飞行共同造成的，那么我们若能画出飞机在飞行过程中，随着地球自转的形象直观图，问题便能化难为易。

例3． 一架飞机位于赤道某地于春分日日出时出发，开始向北沿经线圈飞行，24小时后回到了原地，求飞行员经历的昼夜更替周期，并判断飞行员看到日出、日落时的方向（春分日那天，太阳直射点近似地看作位于赤道上，飞机距地面的距离忽略不计）。

分析：设飞机于图2中A点起飞，此时飞行员看到第一次日出，日出正东，飞行6小时后，飞机到达北极点（图4），此时太阳在南方的地平线上；此6个小时飞机在昼中飞行（图2～图4）。到达北极点后，沿着180°经线飞行6小时后到达赤道（图6），此6个小时飞机在夜中飞行（图4～图6），飞行员再一次到达赤道看到太阳从正西方落下。飞机越过赤道后，继续向南飞行6小时后，到达南极点（图8），此6个小时飞机在昼中飞行（图6～图8），此时飞行员在南极点看到太阳在北方落下；越过南极点后，飞行沿着0°经线飞行6小时后回到了原地（图10），此6个小时飞机在夜中飞行（图8～10图），此时飞行员在原地又一次看到太阳在东方地平线上升起。

因此飞行员经历的昼夜更替周期为12小时，在极点看到日落，在赤道看到日出。

2. 飞行员眼中的昼夜长短

飞机是地球的一部分，距地球表面飞行时高度不高，可以看成是沿地表飞行，因此在向东或向西飞行过程中，其昼长与夜长的比例与地球表面上的地点是一致的。只是由于昼夜交替的周期在变化，因此飞行员一个昼夜经历的昼长和夜长的时数也在变化。

上面分析比较抽象，可以通过图示的方法进行形象的示意。如图11。设飞机在0°经线赤道上空开始飞行，此时飞行员看到第一次日出（图11-1所示）。由于地球自西向东自转，地球上的人不能观察到地球自转，只看到晨昏线向西运动，由于飞机向东飞行的速度和地球自转的速度相同，因此，经6个小时的飞行后，到达90°E上空，此时昏线到达90°E，飞行员第一次看到日落，昼长6小时（图11-1～图11-2）。依次类推，进行直观便可得出相同的结论。

二、宇航员眼中的昼与夜

飞机是地球的一部分，相对于飞机来说，地球是静止的。而飞船则是绕地球公转的，在飞行时，已成为地球的一颗卫星。飞船在公转时，地球也在自转。因而当飞船绕地球公转一周后，地球已往东自转了一定的角度，在地球上观察，飞船飞行轨道有明显的向西移动的规律（如图12）。

图11

图12

因此，宇航员经历的昼与夜于飞行员存在着巨大的差别。

1. 宇航员眼中的昼夜交替图13

图13

图13中，F为太阳直射点，C、A、E、D所在的大圆为晨昏线，飞船沿着A、B、D所在的大圆自东北—东南方向绕地球公转。一天中，由于太阳直射点不变，晨昏线所在的空间位置是不变的，所以当飞船飞至A时，迎来日出，飞至D时，迎来日落。于是，对于宇航员来说，飞船绕地球公转一周，宇航员就经历了一次昼与夜的交替。也即昼夜交替周期=飞船的公转周期。

我国的“神舟”系列飞船，绕地球一周的时间约90分钟，昼夜交替周期极短，会对宇航员的生理造成一定的影响。

2. 宇航员眼中的昼夜长短

当太阳直射在F点时，南半球昼长夜短，北半球昼短夜长。宇航员眼中的昼夜长短与地表是否一致呢？图13中，由于晨昏圈和飞船飞行轨道都是大圆，因此两个大圆必定相互平分（A、D平分飞行轨道）。飞船在A、B、D轨道飞行时，处在昼半球，反之，处在夜半球。因而宇航员一昼夜中，经历的昼与夜是平分的。考虑到飞船离地表有一定的高度，实际上的昼比夜略长些。

飞船一般在距地表300km至700km左右绕地球公转。根据飞船公转线速度与离地球的距离成反比的原理可知，飞船距地表越近，公转速度越大，所需要的时间就越短，宇航员眼中的昼夜长短也就发生变化。一般而言，在近地点的半圆比在与远地点的半圆所需时间要略短些。如果在近地点时恰好在夜半球飞行，在远地点时恰好在在昼半球飞行，结合飞船有一定的高度，那么宇航员经历的昼长必定长于夜长。

总之，地球上的昼夜交替与长短现象，是中学地理的重要内容，与我们的生产与生活密切相关。由于它的产生会受到各种因素的影响，其规律有一定的复杂性，是中学地理的难点内容。加上飞机与飞船本身的运动，使其规律又增添了复杂性。总结飞行员、宇航员眼中的昼与夜的规律，恰恰也表明了教师在教学中创造性的开发了教材，使其教学能体现时代性，做到与时俱进！