準(zhǔn)確把握正午太陽高度的變化規(guī)律

張樹東

一、準(zhǔn)確理解太陽高度和正午太陽高度的含義

(1)太陽高度：是太陽光線相對與地平面的交角，也就是太陽的仰角。如圖1，在整個晝半球太陽高度都大于零，晨昏線上太陽高度等于零，在任意時刻地球上太陽高度的分布都是以直射點(diǎn)為圓心成同心圓狀分布的。如圖2所示，A為太陽直射點(diǎn)，太陽高度從A點(diǎn)向四周呈同心圓減少，到晨昏線減少為0°。直射點(diǎn)A所在的經(jīng)線BC正值中午，達(dá)到一天中最大太陽高度，即正午太陽高度，它的變化是從A向B、C逐漸減少。

(2)正午太陽高度：是指一天中最大的太陽高度，即地方時12時的太陽高度(如圖3)。

值得注意的是地方時12點(diǎn)的地方太陽高度并不一定都大于零，有的地點(diǎn)有時恰好等于零或沒有太陽高度，如在極圈以內(nèi)發(fā)生極夜現(xiàn)象時，地方時12點(diǎn)時并沒有太陽高度或者其高度為負(fù)。

二、正午太陽高度的變化規(guī)律

(1)正午太陽高度的緯度變化規(guī)律

三、認(rèn)識對稱性現(xiàn)象，解決實(shí)際問題

(1)同一時刻，正午太陽高度由太陽直射點(diǎn)向南北兩側(cè)遞減，且以直射點(diǎn)所在的緯度為中心等距離對稱

在春、秋分日：太陽直射點(diǎn)在赤道，正午太陽高度由赤道向兩極遞減，且南北緯度相等的點(diǎn)正午太陽高度相同(如圖4)。

在夏至日：太陽直射點(diǎn)在北回歸線上，正午太陽高度由北回歸線向兩側(cè)遞減，且以北回歸線為中心，距離北回歸線相等的點(diǎn)正午太陽高度相同。如40°N與北回歸線相差16°34，與之對稱的點(diǎn)是6°52'N(如圖5)。

在冬至日：太陽直射點(diǎn)在南回歸線上，正午太陽高度由南回歸線向兩側(cè)遞減，且以南回歸線為中心，距離南回歸線相等的點(diǎn)正午太陽高度相等。如40°N與南回歸線相差63°26，與之對稱的點(diǎn)是86°52'S(如圖6)。

(2)正午太陽高度從直射緯線向南北兩側(cè)遞減的對稱性，可以簡化正午太陽高度的計(jì)算方法

太陽直射的緯線正午太陽高度是90°，向兩側(cè)至晨昏線減少到零，且太陽在同一時間里只照亮地球的一半，即晝半球跨180°。由此可見，某點(diǎn)與直射緯線的緯度相差多少度，正午太陽高度就相差多少度。利用此方法求算正午太陽高度就變得非常簡單了。即正午太陽高度的計(jì)算公式為：H=90°－緯度差(H表示所求地點(diǎn)的正午太陽高度；緯度差是指所求地點(diǎn)的地理緯度與當(dāng)日太陽直射點(diǎn)所在緯度之間的差值，兩地在同一半球，緯度相減，反之相加)。如計(jì)算6月22日40°N的正午太陽高度H-90°-(400-23°26)，即為73°26。40°S的正午太陽高度H=90°-(40°+23°26')，即為26°34'。

四、根據(jù)正午太陽高度可解決的實(shí)際問題

(1)確定地方時：某地太陽高度達(dá)到一天中的最大值時，日影最短，當(dāng)?shù)氐牡胤綍r是12時。

(2)確定房屋的朝向：在北回歸線以北地區(qū)，正午太陽位于南方，房屋朝南；在南回歸線以南地區(qū)，正午太陽位于北方，房屋朝北。

(3)判斷日影長短及方向：正午太陽高度越大，日影越短；正午太陽高度越小，日影越長，且日影方向背向太陽。

(4)計(jì)算樓間距：一般來說，緯度較低的地區(qū)，樓間距較小；反之較大。確定樓間距的關(guān)鍵是計(jì)算當(dāng)?shù)囟寥盏恼缣柛叨菻，并計(jì)算影長L，樓間距應(yīng)大于或等于hcotH(如圖7甲)。

(5)計(jì)算熱水器安裝角度：應(yīng)使太陽能熱水器集熱面與太陽光線垂直。即集熱板與地面之間的夾角a等于當(dāng)天正午太陽高度的余角，如圖7乙所示，a=90°—H時效果最佳。