邮发代码:82-418   刊号:ISSN1671-4350   定价:12.00

[去科技馆学科学]极地探秘

毛立强/中国科学技术馆

2019-08/总第281期

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极地是指地球的南极和北极,那里温度极低,到处都覆盖着厚厚的冰和雪。极地有绚丽的极光、极昼极夜现象,那里充满了神秘色彩,蕴含着无数的科学奥秘。2017年颁布的《义务教育小学科学课程标准》要求学生掌握“认识地球的面貌,了解地球的运动”这样的科学概念,极地是地球重要的组成部分,由于其地理位置的特殊性,学生很难有直观的了解。在漠河极地体验馆中国科技馆分馆,你可以通过“极地自然”展区的“极昼极夜的形成”“看看谁最能吸收热量”2件展品,探索极地的奥秘,并以此认识地球运动的规律。

极昼极夜的形成

神秘笼罩下的南极和北极总是让人捉摸不透,在这里演绎着太多的奇闻,极昼和极夜即是其中之一。极昼极夜是地球两极地区的自然现象,所谓极昼,就是太阳永不落,天空总是亮的,这种现象也叫白夜;所谓极夜,就是与极昼相反,太阳总不出来,天空总是黑的。在南极洲的高纬度地区,那里没有“日出而作,日落而息”的生活节律,没有1天24小时的昼夜更替。极昼和极夜现象是极圈内特有的自然现象,发生在北极圈(66°34′N)和南极圈(66°34′S)以内。其中,在夏至的时候,北半球进入极昼的范围最大,南半球进入极夜的范围最大;在冬至的时候,北半球进入极夜的范围最大,南半球进入极昼的范围最大;在春分和秋分的时候,地球上没有极昼极夜现象,白天和黑夜都是12小时。春分、夏至、秋分、冬至时地球和太阳的相对位置见图1。

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图1 地—日位置示意图

“极昼极夜的形成”展品,提供了一个观看日地运行位置关系,了解极昼极夜形成原因的体验经历。展品上方悬挂日—地演示模型,其中太阳模型内置光源,发出平行光模拟阳光,地球模型始终围绕太阳模型公转,同时还绕着可调节角度的自转轴自转。前方倾斜展台处设置1个图文灯箱和1台触摸屏(见图2)。观众可在触摸屏上调节地球自转轴的倾斜角度,调节范围为0°〜90°,并观看画面演示在不同倾角自转时,极昼极夜地区范围的变化。让观众明白地球之所以存在极昼极夜现象,是因为地球在绕太阳公转的同时,还围绕着“倾斜地轴”自转。当倾斜地轴角度发生变化时,极昼极夜范围也随之发生变化,例如:当自转轴倾斜角度为0°时,将不存在极昼和极夜现象;当自转轴倾斜角度为23.5°时,南北纬66.5°到极点范围内均存在极昼极夜现象。

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图2 展品“极昼极夜的形成”

通过体验展品,观众能了解到,极昼与极夜的形成是由于地球在沿椭圆形轨道绕太阳公转的同时,还围绕着自身的地轴旋转造成的。原来,地球在自转时,地轴与其垂线形成一个约23.5°的倾斜角(见图3),因而地球在公转时便出现有6个月时间两极之中总有一极朝着太阳,全是白天,这就是极昼;另一个极背向太阳,全是黑夜,这就是极夜。通过体验展品,我们还能得出一个结论,那就是极地地区的阳光照射角度很低,即使是在发生极昼的地区,太阳照射角度也不会超过47°,在极夜地区,根本就不会有阳光照射。

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图3 地球自转轴倾角

在体验过程中你可以了解到,每年南北两极,极昼、极夜交替出现。1年内大致连续6个月是白昼、6个月是黑夜。昼夜交替出现的时间是随着纬度的升高而改变的,纬度越高,极昼和极夜的时间就越长。极圈到极点之间,越靠近极点,极昼极夜的时间长度越接近半年;越靠近极圈,极昼极夜的时间长度越接近1天。也就是说,在极圈内的地区,根据纬度的不同,极昼和极夜的长度也不同。在极地,随着纬度降低,极昼和极夜出现的时间均变短,在极圈上,极昼与极夜均只出现1天。在极昼地区,太阳也会有升降变化,只是不会落到地面以下(见图4)。

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图4 极昼地区的太阳变化

看看谁最能吸收热量

在夏天的时候,我们会有这样的感觉,站在阳光下,穿深色衣服会比穿浅色衣服的感觉更热,这是因为不同颜色对阳光的吸收能力是不一样的。展品“看看谁最能吸收热量”以实验的方式,科学直观地展示了黄色、蓝色、黑色、白色和绿色对光反射率的差异,让观众了解白色对光的反射最强,黑色对光的反射最弱,从而了解由于极地地区常年被白色的冰雪覆盖,冰雪的高反射率将大部分太阳光反射,这是导致极地寒冷的重要原因之一。

展品由射灯、不同颜色的板子、收纳槽、红外温度计、按钮、光反射率测试装置和背景图文板组成(见图5),板子的颜色有黄色、蓝色、黑色、白色和绿色。体验展品,可以进行2个实验,分别是测量不同颜色的板子对光的反射率和测量不同颜色的板子对热量的吸收。

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图5 展品“看看谁最能吸收热量”

测量不同颜色的板子对光的反射率 取出收纳槽中2块不同颜色的板子,分别放入左侧2个灯柜中。按下按钮打开射灯,同时观察光反射率测量表,指针会偏向板子反射率大的一侧。通过实验,可以测出不同颜色光反射率的排序。

测量不同颜色的板子对热量的吸收 取出收纳槽中2块不同颜色的板子,分别放入右侧2个灯柜中。按下展台上的启动按钮,灯会亮起并连续照射这2块板子30秒,灯熄灭后可用手触碰2块不同颜色板子表面,比较二者的温度差异;也可以用红外温度计对二者的温度进行测量,对比它们温度的差异。通过反复实验,可以测出不同颜色对热量吸收强度的排序。

通过上述2个实验,你会发现,光反射率最强的颜色,最不能吸收热量,这是因为光中的热量都被反射回去了。从而了解极地之所以这么寒冷,有一个重要的原因是极地常年被冰雪覆盖,就像一面镜子反射了大部分阳光,吸收的热量极其稀少。

地面反射率定义为太阳反射辐射与太阳总辐射之比,它象征着地面对太阳辐射的吸收和反射能力,是影响地面辐射平衡的重要因子之一,对气候特别是局部小气候的形成和变化有重要的影响。

地面反射率的大小取决于地面的性质和状态。一般来说,深色土壤的反射率比浅色土壤小,潮湿土壤的反射率比干燥土壤小,粗糙表面的反射率比平滑的小。新雪面的反射率最大,可达95%。水面反射率随着太阳高度角而变,太阳高度角越小反射率越大。对波浪起伏的水面来讲,反射率平均为7%〜10%。因此,即使总辐射强度一样,不同性质的地面得到的太阳辐射仍然有很大差别,这是地面温度分布不均匀的原因之一。以下是几种常见地貌的平均光反射率:沙漠为25%〜46%,草地为15%〜25%,海洋为10%〜20%,冰雪为75%〜95%。

南极与北极给人的第一印象就是童话般的冰雪世界,有着巍峨庞大的冰盖,也有能漂浮移动的形态各异的冰山,冰雪与蓝天交融成一幅幅雄奇险峻的美丽画卷。由于常年被冰雪覆盖,反射了绝大部分的太阳辐射,导致吸收的热量十分稀少,造成了极地地区的严寒天气,但极地地区也有无尽的奥秘等着我们探索。

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