毛立強(qiáng)

極地是指地球的南極和北極，那里溫度極低，到處都覆蓋著厚厚的冰和雪。極地有絢麗的極光、極晝極夜現(xiàn)象，那里充滿了神秘色彩，蘊(yùn)含著無(wú)數(shù)的科學(xué)奧秘。201 7年頒布的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》要求學(xué)生掌握“認(rèn)識(shí)地球的面貌，了解地球的運(yùn)動(dòng)”這樣的科學(xué)概念，極地是地球重要的組成部分，由于其地理位置的特殊性，學(xué)生很難有直觀的了解。在漠河極地體驗(yàn)館中國(guó)科技館分館，你可以通過(guò)“極地自然”展區(qū)的“極晝極夜的形成”“看看誰(shuí)最能吸收熱量”2件展品，探索極地的奧秘，并以此認(rèn)識(shí)地球運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

極晝極夜的形成

神秘籠罩下的南極和北極總是讓人捉摸不透，在這里演繹著太多的奇聞，極晝和極夜即是其中之一。極晝極夜是地球兩極地區(qū)的自然現(xiàn)象，所謂極晝，就是太陽(yáng)永不落，天空總是亮的，這種現(xiàn)象也叫白夜;所謂極夜，就是與極晝相反，太陽(yáng)總不出來(lái)，天空總是黑的。在南極洲的高緯度地區(qū)，那里沒(méi)有“日出而作，日落而息”的生活節(jié)律，沒(méi)有1天24小時(shí)的晝夜更替。極晝和極夜現(xiàn)象是極圈內(nèi)特有的自然現(xiàn)象，發(fā)生在北極圈（66°34N）和南極圈（66°34s）以內(nèi)。其中，在夏至的時(shí)候，北半球進(jìn)入極晝的范圍最大，南半球進(jìn)入極夜的范圍最大;在冬至的時(shí)候，北半球進(jìn)入極夜的范圍最大，南半球進(jìn)入極晝的范圍最大;在春分和秋分的時(shí)候，地球上沒(méi)有極晝極夜現(xiàn)象，白天和黑夜都是12小時(shí)。春分、夏至、秋分、冬至?xí)r地球和太陽(yáng)的相對(duì)位置見(jiàn)圖1。

“極晝極夜的形成”展品，提供了一個(gè)觀看日地運(yùn)行位置關(guān)系，了解極晝極夜形成原因的體驗(yàn)經(jīng)歷。展品上方懸掛日

地演示模型，其中太陽(yáng)模型內(nèi)置光源，發(fā)出平行光模擬陽(yáng)光，地球模型始終圍繞太陽(yáng)模型公轉(zhuǎn)，同時(shí)還繞著可調(diào)節(jié)角度的自轉(zhuǎn)軸自轉(zhuǎn)。前方傾斜展臺(tái)處設(shè)置1個(gè)圖文燈箱和1臺(tái)觸摸屏（見(jiàn)圖2）。觀眾可在觸摸屏上調(diào)節(jié)地球自轉(zhuǎn)軸的傾斜角度，調(diào)節(jié)范圍為0°～90°，并觀看畫面演示在不同傾角自轉(zhuǎn)時(shí)，極晝極夜地區(qū)范圍的變化。讓觀眾明白地球之所以存在極晝極夜現(xiàn)象，是因?yàn)榈厍蛟诶@太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的同時(shí)，還圍繞著“傾斜地軸”自轉(zhuǎn)。當(dāng)傾斜地軸角度發(fā)生變化時(shí)，極晝極夜范圍也隨之發(fā)生變化，例如：當(dāng)自轉(zhuǎn)軸傾斜角度為0°時(shí)，將不存在極晝和極夜現(xiàn)象;當(dāng)自轉(zhuǎn)軸傾斜角度為23.5°時(shí)，南北緯66.5°到極點(diǎn)范圍內(nèi)均存在極晝極夜現(xiàn)象。

通過(guò)體驗(yàn)展品，觀眾能了解到，極晝與極夜的形成是由于地球在沿橢圓形軌道繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的同時(shí)，還圍繞著自身的地軸旋轉(zhuǎn)造成的。原來(lái)，地球在自轉(zhuǎn)時(shí)，地軸與其垂線形成一個(gè)約23.5°的傾斜角（見(jiàn)圖3），因而地球在公轉(zhuǎn)時(shí)便出現(xiàn)有6個(gè)月時(shí)間兩極之中總有一極朝著太陽(yáng)，全是白天，這就是極晝;另一個(gè)極背向太陽(yáng)，全是黑夜，這就是極夜。通過(guò)體驗(yàn)展品，我們還能得出一個(gè)結(jié)論，那就是極地地區(qū)的陽(yáng)光照射角度很低，即使是在發(fā)生極晝的地區(qū)，太陽(yáng)照射角度也不會(huì)超過(guò)47°，在極夜地區(qū)，根本就不會(huì)有陽(yáng)光照射。

在體驗(yàn)過(guò)程中你可以了解到，每年南北兩極，極晝、極夜交替出現(xiàn)。1年內(nèi)大致連續(xù)6個(gè)月是白晝、6個(gè)月是黑夜。晝夜交替出現(xiàn)的時(shí)間是隨著緯度的升高而改變的，緯度越高，極晝和極夜的時(shí)間就越長(zhǎng)。極圈到極點(diǎn)之間，越靠近極點(diǎn)，極晝極夜的時(shí)間長(zhǎng)度越接近半年;越靠近極圈，極晝極夜的時(shí)間長(zhǎng)度越接近1天。也就是說(shuō)，在極國(guó)內(nèi)的地區(qū)，根據(jù)緯度的不同，極晝和極夜的長(zhǎng)度也不同。在極地，隨著緯度降低，極晝和極夜出現(xiàn)的時(shí)間均變短，在極圈上，極晝與極夜均只出現(xiàn)1天。在極晝地區(qū)，太陽(yáng)也會(huì)有升降變化，只是不會(huì)落到地面以下（見(jiàn)圖4）。

看看誰(shuí)最能吸收熱量

在夏天的時(shí)候，我們會(huì)有這樣的感覺(jué)，站在陽(yáng)光下，穿深色衣服會(huì)比穿淺色衣服的感覺(jué)更熱，這是因?yàn)椴煌伾珜?duì)陽(yáng)光的吸收能力是不一樣的。展品“看看誰(shuí)最能吸收熱量”以實(shí)驗(yàn)的方式，科學(xué)直觀地展示了黃色、藍(lán)色、黑色、白色和綠色對(duì)光反射率的差異，讓觀眾了解白色對(duì)光的反射最強(qiáng)，黑色對(duì)光的反射最弱，從而了解由于極地地區(qū)常年被白色的冰雪覆蓋，冰雪的高反射率將大部分太陽(yáng)光反射，這是導(dǎo)致極地寒冷的重要原因之一。

展品由射燈、不同顏色的板子、收納槽、紅外溫度計(jì)、按鈕、光反射率測(cè)試裝置和背景圖文板組成（見(jiàn)圖5），板子的顏色有黃色、藍(lán)色、黑色、白色和綠色。體驗(yàn)展品，可以進(jìn)行2個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別是測(cè)量不同顏色的板子對(duì)光的反射率和測(cè)量不同顏色的板子對(duì)熱量的吸收。

測(cè)量不同顏色的板子對(duì)光的反射率取出收納槽中2塊不同顏色的板子，分別放入左側(cè)2個(gè)燈柜中。按下按鈕打開(kāi)射燈，同時(shí)觀察光反射率測(cè)量表，指針會(huì)偏向板子反射率大的一側(cè)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以測(cè)出不同顏色光反射率的排序。

測(cè)量不同顏色的板子對(duì)熱量的吸收取出收納槽中2塊不同顏色的板子，分別放入右側(cè)2個(gè)燈柜中。按下展臺(tái)上的啟動(dòng)按鈕，燈會(huì)亮起并連續(xù)照射這2塊板子30秒，燈熄滅后可用手觸碰2塊不同顏色板子表面，比較二者的溫度差異;也可以用紅外溫度計(jì)對(duì)二者的溫度進(jìn)行測(cè)量，對(duì)比它們溫度的差異。通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，可以測(cè)出不同顏色對(duì)熱量吸收強(qiáng)度的排序。

通過(guò)上述2個(gè)實(shí)驗(yàn)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，光反射率最強(qiáng)的顏色，最不能吸收熱量，這是因?yàn)楣庵械臒崃慷急环瓷浠厝チ?。從而了解極地之所以這么寒冷，有一個(gè)重要的原因是極地常年被冰雪覆蓋，就像一面鏡子反射了大部分陽(yáng)光，吸收的熱量極其稀少。

地面反射率定義為太陽(yáng)反射輻射與太陽(yáng)總輻射之比，它象征著地面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收和反射能力，是影響地面輻射平衡的重要因子之一，對(duì)氣候特別是局部小氣候的形成和變化有重要的影響。

地面反射率的大小取決于地面的性質(zhì)和狀態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，深色土壤的反射率比淺色土壤小，潮濕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，可達(dá)95%。水面反射率隨著太陽(yáng)高度角而變，太陽(yáng)高度角越小反射率越大。對(duì)波浪起伏的水面來(lái)講，反射率平均為7%～10%。因此，即使總輻射強(qiáng)度一樣，不同性質(zhì)的地面得到的太陽(yáng)輻射仍然有很大差別，這是地面溫度分布不均勻的原因之一。以下是幾種常見(jiàn)地貌的平均光反射率：沙漠為25%～46%，草地為15%～25%，海洋為10%～20%，冰雪為75%～95%。

南極與北極給人的第一印象就是童話般的冰雪世界，有著巍峨龐大的冰蓋，也有能漂浮移動(dòng)的形態(tài)各異的冰山，冰雪與藍(lán)天交融成一幅幅雄奇險(xiǎn)峻的美麗畫卷。由于常年被冰雪覆蓋，反射了絕大部分的太陽(yáng)輻射，導(dǎo)致吸收的熱量十分稀少，造成了極地地區(qū)的嚴(yán)寒天氣，但極地地區(qū)也有無(wú)盡的奧秘等著我們探索。