準確把握正午太陽高度的變化規律

張樹東

一、準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為圓心成同心圓狀分布的。如圖2所示，A為太陽直射點，太陽高度從A點向四周呈同心圓減少，到晨昏線減少為0°。直射點A所在的經線BC正值中午，達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點的地方太陽高度并不一定都大于零，有的地點有時恰好等于零或沒有太陽高度，如在極圈以內發生極夜現象時，地方時12點時并沒有太陽高度或者其高度為負。

二、正午太陽高度的變化規律

(1)正午太陽高度的緯度變化規律

三、認識對稱性現象，解決實際問題

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

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

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

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

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

太陽直射的緯線正午太陽高度是90°，向兩側至晨昏線減少到零，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算公式為：H=90°－緯度差(H表示所求地點的正午太陽高度；緯度差是指所求地點的地理緯度與當日太陽直射點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、根據正午太陽高度可解決的實際問題

(1)確定地方時：某地太陽高度達到一天中的最大值時，日影最短，當地的地方時是12時。

(2)確定房屋的朝向：在北回歸線以北地區，正午太陽位于南方，房屋朝南；在南回歸線以南地區，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)計算樓間距：一般來說，緯度較低的地區，樓間距較小；反之較大。確定樓間距的關鍵是計算當地冬至日的正午太陽高度H，并計算影長L，樓間距應大于或等于hcotH(如圖7甲)。

(5)計算熱水器安裝角度：應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等于當天正午太陽高度的余角，如圖7乙所示，a=90°—H時效果最佳。