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150多年以前,科学家证实,太阳黑子的活动是周期性的,它的平均周期约为11年;大约90年以前,科学家在这一研究领域又有了新的突破,他们绘制出太阳黑子周期性变化示意图后,发现赫然呈现在纸上的竟是一只只翩翩起舞的“蝴蝶”;而现在科学家又有了新的任务,他们正试图揭开这幅太阳黑子“蝴蝶图”的秘密……
据美国“每日科学”网站2月4日报道,有关研究者表示,揭开“蝴蝶图”的秘密可以让科学工作者更好地预测太阳风暴(solar storms)何时来临。太阳风暴爆发时,将会影响通讯、威胁卫星、破坏臭氧层,这与人们的生活息息相关,所以这项研究具有十分重要的意义。
太阳黑子和太阳黑子周期
想揭开问题的谜底,我们必须要对下面一些基本概念有所了解。首先我们要知道什么是太阳黑子(sunspots)和太阳黑子周期(sunspot cycle)。
太阳黑子是人们最早发现也是人们最熟悉的一种太阳表面活动。明亮的太阳光球表面经常出现一些小黑点,这就是太阳黑子。美国国家大气研究中心高地天文台的太阳天文学家埃米·诺顿解释说,太阳黑子之所以产生是因为太阳内部磁场发生变化的结果。
太阳黑子的数量并不是固定的,它会随着时间的变化而上下波动,每11年会达到一个最高点,这11年的时间就被称之为一个太阳黑子周期。太阳黑子周期是1843年由一名德国天文学家发现的。
诺顿表示,不仅是太阳黑子的数量会在这11年中发生变化,同时它们所处的位置也会随之改变。每当一个太阳黑子周期开始的时候,最先出现的黑子总是在离赤道较远处(平均纬度为35度),然后由高纬度向低纬度方向移动,最终黑子出现的位置渐渐靠近太阳赤道。
翩翩起舞的“蝴蝶图”
1904年,英国天文学家爱德华·蒙德发现了一幅奇异的景象,记录太阳黑子周期变化的图表竟然呈现出一幅展翅欲飞的蝴蝶图案。
蒙德以纬度为纵坐标,以时间(年份)为横坐标,绘出太阳黑子的分布图后,发现渐渐靠近赤道的太阳黑子就像蝴蝶的两只翅膀。如果把几个太阳黑子周期的图案绘制在一起,就组成了一连串翩翩起舞的“蝴蝶”。神秘的太阳发电机效应
目前,科学家们正致力于研究这个神奇的太阳黑子“蝴蝶图”。太阳天文学家诺顿说,要想揭开谜底,首先要从所谓的太阳发电机效应(Solar Dynamo)说起。她说:“太阳发电机效应是太阳物理学中最为神秘的事物之一,它指的是在太阳内部和太阳表面的机械运动转化成磁能的过程。”
因为太阳黑子活动区域被认为是强磁场区,同时太阳黑子会在11年的周期内发生增多和减少的现象,所以科学家认为太阳磁场也会在这一时期内增强或减弱。诺顿说:“太阳黑子周期的循环性是证明太阳内部磁场在这个周期里发生变化有力的证据。”
诺顿和她的同事建立了太阳表面和内部的不同种类的热气流电脑模型,他们认为这有助于更好地了解太阳发电机效应,同时也有助于解释太阳黑子移动产生“蝴蝶图”的原因。
最佳理论
诺顿的同事吉尔曼说,对于太阳黑子活动图为什么会呈现蝴蝶图案这个问题,目前还没有一个统一的科学结论。其中,最主要的理论是以吉尔曼同事迪科派蒂的电脑模拟为基础的。
迪科派蒂的电脑模拟将太阳黑子的移动和被称为经向流的等离子流联系了起来。经向流在太阳赤道和两极之间流动,它的全部过程被称之为太阳活动周期。
经向流就像拥有两个传送带的系统。这两条“传送带”一个位于北半球,一个位于南半球,每个“传送带”都沿着太阳表面,从赤道运动到北极或是南极。到达极地时,每条“传送带”会转个弯,进入太阳内部。经向流经过太阳内部的最外层即环流区返回到赤道。当“传送带”到达太阳赤道时,它又会转头沿着来的路径,重新回到太阳表面,开始新一轮的循环。
一个太阳活动周期的时间为22年,或者说是两个太阳黑子周期。这个理论认为,“传送带”的两半都拥有相似的太阳黑子图案,这就是为什么太阳黑子活动遵循着11年的周期——等于太阳活动周期的一半。
根据迪科派蒂的的理论,太阳黑子在太阳表面流动会留下痕迹,这种痕迹还被带到太阳内部,科学家们相信,太阳黑子的磁场在这里形成,而新的太阳黑子则是在最近周期内的痕迹上形成的。
通过了解经向流速度的变化以及过去的太阳黑子周期,迪科派蒂和同事相信他们也许能够预测太阳黑子活动的时间和强度,从而也能对太阳风暴有所了解。他说:“事实上,在最近的工作中,我们预测因为经向流在目前周期内的速度放慢,所以下一个周期,即周期24的开始将会被推迟。”(王高山)
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使天文学家寿命倍增的数——对数
作者:佚名 文章来源:本站原创 点击数:24 更新时间:2005-5-30 【字体:小 大】
使天文学家寿命倍增的数——对数
16世纪初,当第一张对数表问世后,天文学家兼数学家的拉普拉斯满腔热情地称赞这是一项“使天文学家寿命倍增”的发明。其实,从数学的角度看,对数产生的意义就更为深远了,伽利略甚至说:“给我一个空间、时间及对数,我即可创造一个宇宙。”
对数的创造人是苏格兰的男爵约翰·耐普尔(John Napier,1550—1617)。他对数学的计算很感兴趣,还多次找到简化计算的方法。耐普尔最早想到了数可以用指数形式来表示,例如,4可以表示为2的平方,8可以表示为2的3次方,5,6,7可以表示为2的在2及3之间的某个分数的幂,一旦数都写成这样的指数形式,乘法可以通过指数相加来算,除法可以通过指数相减来算,这样的话乘法及除法就不会比加法及减法更复杂了。耐普尔花了近20年时间来求出各种数的指数表示的相当复杂的公式,他对三角函数的指数形式特别感兴趣,因为天文中计算常用到,耐普尔希望对这些加以简化,他把计算指数的表示方法称之为对数。在1614年他出版了对数表,而且给对数署名为Logarithm,意思为“比之数”,“比”是指等比数列中的公比。从此对数表得到广泛应用,它对当时科学的冲击,就像计算机对现代科学的冲击一样,当时,对数就正如计算机一样,大大简化了计算。
实际上,在耐普尔发明对数之前,对对数的探索早已开始了。15世纪至16世纪,天文学处于科学的前沿,许多学科在它的牵动下发展起来。1471年,德国数学家约翰·谬勒(Johann Muller,1436—1476)出于天文计算的需要,造出了一张具有八位数字的正弦表。此后,余弦、正切等表也相继出现。但是,对于大数的运算当时并无一个简单的办法,为了确定一个星球的位置,常在计算上花去几个月的时间。能否用加、减运算来代替乘、除运算?这是当时迫切需要思考的问题。德国天文学家约翰·维尔纳(Johann Werner,1468—1528)首先尝试用三角函数来达到目的。维尔纳的方法相当于利用现在我们所熟知的积化和差公式:
sinα·sinβ=1/2[cos(α-β)-cos(α+β)]
cosα·cosβ=1/2[cos(α-β)+cos(α+β)]
公式的意思是:若求小于1的两个数a与b的乘积,可以先由三角函数查出使sinα=a,sinβ=b的α与β,然后求出cos(α-β)与cos(α+β),再应用上面的公式求出它们差的一半,就得到了所要求的数。大于1的数可用小于1的数乘上10n表示,因此这两个公式实际上对于任意两个数都是适宜的。
作为对数的发明人,我们不应忘了另外一个名叫别尔基(J.Burge,1552—1632)的人,他不是数学家,但他是最先掌握对数思想的人。1603年,别尔基被任命为布拉格地方的宫廷钟表匠,他在那里与著名的数学家和天文学家开普勒一起工作,由于工作的需要,他要利用仪器结合观察的情况作天文计算,这就促使他产生要简化计算的思想,他花了8年的时间完成了他的著作《等差数列和等比数列表》,这是一个等差数列和等比数列对数的表,这些数列更适合运用于实际计算。但他拖延了他的著作的出版,直到1620年出版时,耐普尔的对数已经闻名全欧洲了。
中国人对对数的了解是比较晚的,1648年波兰传教士穆尼阁(P.Nicolas smogolenski,1611—1656)带着《比例对数表》等各类算书来到中国,1664年,中国学者薛凤祚与穆尼阁共译《天学会通》,其中包括《比例对数表》和《比例四线新表》,前者是1—20000的六位常用对数表,后者是正弦、余弦、正切、余切的六位对数表。文章录入:一起 责任编辑:一起
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http://www.pep.com.cn/200406/ca423347.htm
浅谈太阳升落方位的变化规律山东省淄博师范学校 秦克铸
内容提要:太阳升落方位问题是《地球运动》教学中遇到的疑难问题,《地理教育》杂志曾连续刊发多篇文章对此进行讨论,本文系其中之一,刊发于93年第4期。本文从纬度、季节、南北半球比较三个方面考察太阳升落方位的变化规律,文字深入浅出,通俗易懂,适合于中学地理教师及高校地理系学生阅读,可供《地球概论》教学及《高中地理》教学参考。
关键词: 太阳升落方位(A) 太阳赤纬(δ) 纬度(ψ) 太阳周日圈 地平圈
由于黄赤交角的存在,使天球上的太阳不断相对于天赤道作回归运动,其真接结果是造成太阳赤纬(即δ)的周年变化(表现在地面上便是太阳直射点的南北移动),进而导致太阳周日圈反复地北进南退,伴随这种北进南退,地面观察者眼中太阳的升落方位亦出现有规律的变化。
太阳升落方位的变化规律可以从以下几个方面来考察:
1.随纬度的变化规律:这种规律可以概括为一句话即:太阳赤纬不为零时,纬度越高(不管南北纬),太阳升落的方位角(以东点、西点为起点,在地平圈上度量,偏北为正,偏南为负,用符号A表示)越大,而且太阳赤纬为正(负)即太阳直射在北(南)半球时,方位角为正(负),亦即太阳升落方位偏北(南)。根据纬度的差异又可分为以下六种情况:
(1)在赤道上看:由于太阳周日圈与地平圈直交,故一年四季太阳都是垂直地升起而又垂直地落下,且太阳赤纬是多少度,太阳升落方位便是多少度,即δ=A。例如:每年11月7日,太阳赤纬约为-16°19′即太阳直射南纬16°19′,此日的太阳升落方位亦为-16°19′,即在赤道上看11月7日这天太阳是从正东偏南16°19′处升起,在正西偏南16°19′处下落。
(2)在开始出现极昼的纬度上看:由于太阳周日圈最低点与地平圈相切,故太阳升落方位最大为90°即与北点或南点重合。例如:6月22日北极圈上开始出现极昼,太阳周日圈全部在地平圈以上,其最低点恰与北点相切,故这天在北极圈上看太阳,是从正东偏北90°即正北方位开始升起,而在正西偏北90°即正北方位下落到最低点,换句话说就是6月22日在北极圈上看太阳升落方位为+90°。
(3)在开始出现极昼的纬度到极点之间看:由于太阳周日圈全部位于地平圈以上而且是倾斜的,故一天中太阳高度仍有变化,太阳开始升起和下落到的最低点方位角均为90°即太阳升落方位亦与北点或南点重合。例如:6月22日在70°N处看太阳,一天中太阳总在地平以上转圈,只在半夜时下落到最低点,此时太阳位于正北方天空,方位角为+90°。
(4)极昼期间在极点上看:由于太阳周日圈始终平行于地平圈,故一天中的太阳高度没有变化,始终等于该日太阳赤纬,太阳只有方位变化而无所谓升落,因而不存在升落方位问题。例如:12月22日在南极点上看,太阳周日圈始终高出地平23°26′,且只有方位变化(每日一周)而无所谓升落,故不存在升落方位问题。
(5)在开始出现极夜的纬度上看:由于太阳周日圈最高点与地平圈相切,故太阳只在正午时在方位为900的一点出现,但刚一露脸即已下落。如8月7日太阳赤纬为+16°19′即太阳直射北纬16°19′,该日南纬73°41′的地方出现极夜,这天太阳只在正午时在方位为90°的一点即正北方露一下脸。
(6)在赤道与极昼极夜出现的纬度之间看:由于太阳周日圈与地平圈斜交,且纬度越高,两者之间的夹角越小,故太阳升落的方位角也就越大,而且普遍地A>δ。方位角的大小可用球面三角正弦公式求得:sinA=sinδ/cosψ( 式中A为方位角,δ为太阳赤纬,ψ为当地纬度 )。例如:12月22日太阳赤纬为-23°26′,赤道上方位为-23°26′,南北回归线上为-25°41′,南北纬45°为-34°13′,极圈上为-90°。
2.随季节的变化规律:这种规律也可以概括为一句话即:太阳赤纬值越大(小),方位角越大(小),而且赤纬为正(负)方位为正(负)即太阳升落方位偏北(南)。例如:
(1)每年的3月21日与9月23日即二分日:太阳赤纬为0°即太阳直射赤道,太阳周日圈与天赤道重合。由于天赤道在当地天空中的位置乃东点、西点、Q点(又称上点,其位置在赤道上与当地天顶重合,北半球在天顶正南相当当地纬度的一点,南半球在当地天顶正北相当当地纬度的一点)的连线,故全球各纬度看太阳都是从正东方位升起,在正西方位下落,其中正午时的太阳位置在赤道上位于天顶,北(南)半球位于天顶以南(北)相当当地纬度的一点。
(2)每年的6月22日与12月22日即二至日:6月22日太阳赤纬为+23°26′,达一年中最大值,各纬度方位角皆为正(北偏)且亦达一年中最大值;12月22日太阳赤纬为-23°26′,绝对值亦达到一年中最大值,故各纬度方位角皆为负(南偏)且亦达到最大值。
(3)夏半年与冬半年的情况是:3月21日以后到9月23日以前太阳直射点在北半球,太阳赤纬为正,各地方位角均为正,这段时间内太阳升落方位均偏北即从东偏北方向升起在西偏北方向落下;9月23日以后到次年3月21日以前,太阳赤纬为负,直射点在南半球,各地方位角均为负,这段时间内太阳升落方位均偏南即从东偏南的方向升起在西偏南方向落下。
(4)据太阳赤纬随季节的变化情况可知:6月22日以后到12月22日,太阳周日圈不断南退,太阳赤纬由+23°26′逐渐变化为-23°26′,太阳升落方位在各纬度都将是由最偏北逐渐过渡为最偏南;12月22日以后到次年6月22日,太阳周日圈不断北进,太阳赤纬由-23°26′逐渐变化为-23°26′,这期间太阳升落方位在各纬度亦由最偏南逐渐过渡为最偏北。
3.南北半球比较也有几条规律可循:
(1)太阳升落方位是偏北还是偏南在全球各纬度都是一致的,与所处哪个半球无关,所不同的仅是因为纬度不同偏北偏南的程度不同。原因是各纬度的东点与西点是共同的,都是当地地平圈与天赤道的两个交点。例如:12月22日,全球各纬度看太阳升落方位都是偏南,北半球是如此,南半球亦是如此,所不同的只是因为各地纬度不同看到太阳升落方位偏南的程度不同,在赤道上为-23°26′,15°N、S处为 -24°18′,23°26′N、S处为-25°41′,45°N、S处为-34°13′,66°34′N、S处为-90°。
(2)南北半球纬度相同的地方,同一日期的太阳升落方位亦相同,但昼夜长短状况刚好相反。例如:6月22日,15°N、S处看太阳升落方位都是+24°18′即从东偏北24°18′处升起,在西偏北24°18′处下落,但在15°N看太阳周日圈向南倾斜,地平以上部分大于地平以下部分,昼夜长短状况表现为昼长夜短,而在15°S处看则太阳周日圈向北倾斜,地平以上部分小于地平以下部分,昼夜长短状况表现为昼短夜长。
(3)不管哪个半球,只要太阳赤纬值的绝对值相同,则同一纬度上看太阳升落方位的绝对值亦相同,但表现在昼夜长短状况上则可能有昼长和夜长两种情况。例如:太阳赤纬值的绝对值均为23°26′,在45°N处各地看太阳升落方位的绝对值均为34°13′,但这可能有以下二种情况:一是太阳赤纬值为+23°26′,此时太阳是从东偏北34°13′处升起在西偏北34°13′处下落,昼夜长短状况表现为昼长夜短;二是太阳赤纬值为-23°26′,此时太阳是从东偏南34°13′处升起在西偏南34°13′处下落,昼夜长短状况表现为昼短夜长。
总之,太阳升落方位不是固定不变的,它因纬度而不同,随季节而变化,它是太阳回归运动在地面上的反映。只要掌握了太阳回归运动或太阳直射点在地面上的移动规律,太阳升落方位的变化规律便可迎刃而解。只是要注意:除赤道外,太阳周日圈与地平圈并不垂直相交,因而只有在赤道上A=δ,而在其它纬度上都是A>δ;极夜期间不存在太阳升落亦无所谓太阳升落方位;极昼期间(除极点外)太阳升落方位均为90°,只有极点上太阳周日圈平行于地平圈,太阳高度始终等于太阳赤纬,不存在太阳升落方位问题。
参考文献:
《地理疑难问题精解》(一)P 51《太阳到底出没在何方》 卢文石 朗根栋主编 陕西科学技术出版社(第一版)
《地球概论》 金祖孟编著 高等教育出版社(第二版)
《地球概论》 刘南编著 高等教育出版社(第一版)
《地理教育》 90年第4期P29 秦克铸文《极昼期间太阳的周日运动》
《地理教育》93年第四期 -
http://culture.people.com.cn/BIG5/3358898.html
郭守敬及其有關情況
郭守敬(1231–1316),中國元代杰出的天文、水利、數學、儀器儀表制造專家。
郭守敬,出生於今河北省邢台市轄區內的邢台縣皇寺鎮郭村,位於邢台城西北30華裡。少年時期,郭守敬與張文謙、張易、王恂從學劉秉忠於紫金山(今邢台縣境內)﹔21歲時,為家鄉治理水患﹔32歲時,受到元世祖忽必烈賞識,步入仕途。郭守敬為官的早期和晚期,都是主管水利方面的工作(提舉諸路河渠,副河渠使、都水少監、都水監),隻是在中間一段時間主管天文工作(太史令),期間,工作成就異常卓絕。郭守敬為官后,大部分時間在大都從事水利、天文和歷法研究。73歲時,請求退休,朝廷不允。86歲時辭世,葬歸故裡。
郭守敬先后修治河渠水道數百余處,對發展農業生產,做出了杰出貢獻。34歲時,西夏治水,人們為他在渠邊建立生祠﹔62歲時,為了解決漕運,讓運河直通大都(今北京),他規劃設計、主持開鑿了通惠河,翌年,工程峻工,史稱大都治水。大都治水中,他創造性地設立了白浮堰﹔為解決水位落差,他在通惠河上創造性地設立了二十四座閘壩。這兩項工程,被水利學家譽為世界水利史上的兩大奇跡。前者與今天的京密引水線基本吻合,后者在今天的巴拿馬運河、三峽工程節水行舟中仍然使用。
郭守敬在科學上,兼俱嚴謹和創新精神。他既注重繼承前人的成果,又注重實踐,還勇於創新。在治水工作中,他因舊謀新,因勢利導,因地制宜,注重發揮工程的綜合效益,工程設計或施工方案定量化﹔在天文、歷法工作中,他不惜花費時間,堅持進行認真的實地考察與測量,並盡可能採取多種測量方法,在數據處理方法上精益求精,以科學、合理的數學方法擬合天體的運行。科學的思想、科學的方法,再加上精心設計,巧妙構思,刻苦鑽研,使得郭守敬一生科技成就卓著,有二十多項遙遙領先世界水平,為促進人類科學事業的發展做出了巨大貢獻。他主持制訂了歷史上最優秀的歷法——《授時歷》﹔他主持了歷史上規模最大的緯度測量﹔他創制了歷史上最早的大赤道儀——簡儀﹔他最早發明並使用了柱軸承﹔他創造了世界上第一台自鳴報時鐘——大明殿燈漏﹔他在數學領域中首次創立了相當於球面三角公式算法——割圓法﹔他在大地測量中首次運用了海拔概念原理﹔他首次以科學考察為目的探尋黃河之源﹔他在長期治水過程中開辟了集灌溉、航運、防洪等為一體綜合利用的先河。他晚年著書立說,完成《推步》、《月離考》等105卷科學巨著。
郭守敬的科技成就飲譽中外,數百年來,人們曾採用多種形式表達對他的敬意和紀念。1962年,中國郵電部發行了兩枚郭守敬紀念郵票。1970年,國際天文學組織,將月球背面一座環形山命名為“郭守敬山”﹔1977年,又將中科院紫金山天文台發現的2010號小行星命名為“郭守敬星”。
1984年,邢台市開始建造郭守敬紀念館﹔1986年10月,郭守敬紀念館一期工程竣工,並正式向社會開放﹔2001年,又進行了高水平建設﹔2004年,修改陳列。邢台郭守敬紀念館,佔地50000平方米,建筑面積4700平方米,主體建筑為明清園林式建筑風格,主要建有郭守敬銅像、觀星台、四個展廳、天文觀測台、青少年科普活動室等設施和景點,陳列有《郭守敬生平業績展覽》。喬石、宋平、宋任窮、遲浩田、劉雲山、黃華、王光英、錢正英等十多位黨和國家領導人,北京、上海、天津、南京、內蒙古等地數百名專家學者,美國、德國、意大利、日本、韓國、俄羅斯、法國等數十個國家的國際友人,曾前來紀念館參觀指導或講學。邢台郭守敬紀念館現已成為全國郭守敬研究中心,被河北省委、省政府命名為河北省愛國主義教育基地,被中國科協命名為全國科普教育基地,被科技部、中宣部、教育部、中國科協等命名為全國青少年科技教育基地,並先后被河北省定為旅游重點單位,被建設部列為中國熱點風景名勝區。
此外,郭守敬少年時期從學的地點——紫金山,已辟為旅游景點,邢台市市區內建有郭守敬小學、郭守敬中學、郭守敬職專、郭守敬大街等。來源:人民網 (責任編輯:王丹)