毛立強

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，蘊含著無數(shù)的科學奧秘。201 7年頒布的《義務(wù)教育小學科學課程標準》要求學生掌握“認識地球的面貌，了解地球的運動”這樣的科學概念，極地是地球重要的組成部分，由于其地理位置的特殊性，學生很難有直觀的了解。在漠河極地體驗館中國科技館分館，你可以通過“極地自然”展區(qū)的“極晝極夜的形成”“看看誰最能吸收熱量”2件展品，探索極地的奧秘，并以此認識地球運動的規(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，太陽總不出來，天空總是黑的。在南極洲的高緯度地區(qū)，那里沒有“日出而作，日落而息”的生活節(jié)律，沒有1天24小時的晝夜更替。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，在夏至的時候，北半球進入極晝的范圍最大，南半球進入極夜的范圍最大;在冬至的時候，北半球進入極夜的范圍最大，南半球進入極晝的范圍最大;在春分和秋分的時候，地球上沒有極晝極夜現(xiàn)象，白天和黑夜都是12小時。春分、夏至、秋分、冬至時地球和太陽的相對位置見圖1。

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

地演示模型，其中太陽模型內(nèi)置光源，發(fā)出平行光模擬陽光，地球模型始終圍繞太陽模型公轉(zhuǎn)，同時還繞著可調(diào)節(jié)角度的自轉(zhuǎn)軸自轉(zhuǎn)。前方傾斜展臺處設(shè)置1個圖文燈箱和1臺觸摸屏（見圖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，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，是因為地球在繞太陽公轉(zhuǎn)的同時，還圍繞著“傾斜地軸”自轉(zhuǎn)。當傾斜地軸角度發(fā)生變化時，極晝極夜范圍也隨之發(fā)生變化，例如：當自轉(zhuǎn)軸傾斜角度為0°時，將不存在極晝和極夜現(xiàn)象;當自轉(zhuǎn)軸傾斜角度為23.5°時，南北緯66.5°到極點范圍內(nèi)均存在極晝極夜現(xiàn)象。

通過體驗展品，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公轉(zhuǎn)的同時，還圍繞著自身的地軸旋轉(zhuǎn)造成的。原來，地球在自轉(zhuǎn)時，地軸與其垂線形成一個約23.5°的傾斜角（見圖3），因而地球在公轉(zhuǎn)時便出現(xiàn)有6個月時間兩極之中總有一極朝著太陽，全是白天，這就是極晝;另一個極背向太陽，全是黑夜，這就是極夜。通過體驗展品，我們還能得出一個結(jié)論，那就是極地地區(qū)的陽光照射角度很低，即使是在發(fā)生極晝的地區(qū)，太陽照射角度也不會超過47°，在極夜地區(qū)，根本就不會有陽光照射。

在體驗過程中你可以了解到，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個月是白晝、6個月是黑夜。晝夜交替出現(xiàn)的時間是隨著緯度的升高而改變的，緯度越高，極晝和極夜的時間就越長。極圈到極點之間，越靠近極點，極晝極夜的時間長度越接近半年;越靠近極圈，極晝極夜的時間長度越接近1天。也就是說，在極國內(nèi)的地區(qū)，根據(jù)緯度的不同，極晝和極夜的長度也不同。在極地，隨著緯度降低，極晝和極夜出現(xiàn)的時間均變短，在極圈上，極晝與極夜均只出現(xiàn)1天。在極晝地區(qū)，太陽也會有升降變化，只是不會落到地面以下（見圖4）。

看看誰最能吸收熱量

在夏天的時候，我們會有這樣的感覺，站在陽光下，穿深色衣服會比穿淺色衣服的感覺更熱，這是因為不同顏色對陽光的吸收能力是不一樣的。展品“看看誰最能吸收熱量”以實驗的方式，科學直觀地展示了黃色、藍色、黑色、白色和綠色對光反射率的差異，讓觀眾了解白色對光的反射最強，黑色對光的反射最弱，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光反射，這是導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、按鈕、光反射率測試裝置和背景圖文板組成（見圖5），板子的顏色有黃色、藍色、黑色、白色和綠色。體驗展品，可以進行2個實驗，分別是測量不同顏色的板子對光的反射率和測量不同顏色的板子對熱量的吸收。

測量不同顏色的板子對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個燈柜中。按下按鈕打開射燈，同時觀察光反射率測量表，指針會偏向板子反射率大的一側(cè)。通過實驗，可以測出不同顏色光反射率的排序。

測量不同顏色的板子對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個燈柜中。按下展臺上的啟動按鈕，燈會亮起并連續(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對二者的溫度進行測量，對比它們溫度的差異。通過反復實驗，可以測出不同顏色對熱量吸收強度的排序。

通過上述2個實驗，你會發(fā)現(xiàn)，光反射率最強的顏色，最不能吸收熱量，這是因為光中的熱量都被反射回去了。從而了解極地之所以這么寒冷，有一個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光，吸收的熱量極其稀少。

地面反射率定義為太陽反射輻射與太陽總輻射之比，它象征著地面對太陽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)。一般來說，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95%。水面反射率隨著太陽高度角而變，太陽高度角越小反射率越大。對波浪起伏的水面來講，反射率平均為7%～10%。因此，即使總輻射強度一樣，不同性質(zhì)的地面得到的太陽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，也有能漂浮移動的形態(tài)各異的冰山，冰雪與藍天交融成一幅幅雄奇險峻的美麗畫卷。由于常年被冰雪覆蓋，反射了絕大部分的太陽輻射，導致吸收的熱量十分稀少，造成了極地地區(qū)的嚴寒天氣，但極地地區(qū)也有無盡的奧秘等著我們探索。