太陽周日視運動路線示意圖解析

摘 要：用太陽周日視運動圖不僅可以一目了然地揭示晝夜長短和正午太陽高度隨緯度和季節變化，也可以清楚地揭示太陽高度的日變化，并且還可以準確地顯示太陽的升落方位。

關鍵詞：天球；正午太陽高度；太陽升落方位；晝夜長短

中圖分類號：G427 文獻標識碼：A 文章編號：1992-7711（2012）20-054-2

在歷年各地試題中經常會遇到有關考核太陽周日視運動內容的題目，由于現行地理教材中沒有安排這方面的示意圖，而且太陽周日視運動圖涉及到天球坐標系，相當一部分學生缺乏較抽象的空間想象能力，不容易理解透徹。本文試圖簡潔闡述之。

一、圖中天球上的基本要素

在常見的光照圖上，圓心表示地心，圓表示地球。而在太陽周日視運動圖上，圓心表示地球上的觀測者，當然也可以看作是地心或地球，而圓代表半徑為無限遠的天球。圖1

圖1是以北緯40°觀測者為中心的天球圖，最高點叫天頂，其對跖點（球面上同一直徑的兩個端點）叫天底。通過圖2不難證明：北極星的高度等于當地的地理緯度（由于地球半徑與地球到北極星的距離相比微乎其微，也就是說北極星對地球上任意兩點所張的視角接近0°，因此在證明過程中可以把這個角的兩邊畫成平行線）。這樣北極星就位于該地地平圈上方40°，過O點和北極星的直線為地軸，如圖3。

圖中北極星在地平圈上的投影點叫北點（圖3中的A點），其對跖點叫南點，它們與東點、西點平分地平圈，這便是我們通常所指的地平面上的四個基本方位（見圖1）。地平圈以上的半個天球就是觀測者此時能看到的半個天球。若太陽位于地平圈以上，就意味著觀測者處于白天，否則就處于黑夜。

二、太陽視運動路線

太陽周日視運動是地球自轉的相對運動。從北極上空俯視，地球自轉方向是逆時針，所以從天北極上空俯視，太陽周日視運動方向是順時針。由于地球是繞地軸自轉的，因而太陽視運動圓圈應垂直于地軸，也就是緯線平面與天球的交線，它們互相平行。其中春分秋分圓圈（數字②）就是天赤道，冬夏至兩個圓圈的赤緯均為23°26’。圖4、圖5和圖6分別是觀測者位于赤道、45°N和北極三個緯度的二分二至日太陽視運動路線斜視圖。其中，①代表夏至，②代表春秋分，③代表冬至。

從圖中可以看到，無論在什么緯度，不同日期的太陽視運動路線是互相平行且又垂直于地軸的天球緯線。

在圖4中，北極星位于地平線上，春秋二分時正午太陽位于天頂，這兩天太陽直射赤道，②與天赤道重合。二至日路線與二分日緯距相隔23°26’。

在圖6中地平圈即為天赤道，北極星位于天頂。夏至日路線在地平圈上方23°26’，冬至日看不到太陽，為極夜現象。

從圖4到圖6，觀測者的緯度逐漸增大，導致北極星的高度逐漸增大，太陽視運動路線平面的傾角逐漸變小，觀測者處的正午太陽高度和晝夜長短狀況也發生了變化。

三、分析太陽高度的日變化和正午太陽高度的變化

太陽和觀測者的連線與地平面的夾角叫太陽高度，從各圖中能直接看出太陽高度從日出開始增大，正午太陽高度最大，下午逐漸減小。

從各圖中還可明顯地看出，不同季節的正午太陽高度不同。天頂與太陽的緯距越小，其正午太陽高度越大。下表是赤道、45°N和北極三個緯度的二分二至日正午太陽高度數據，黃赤交角取23°26’。

四、分析太陽升落方位與晝夜長短狀況的變化

在圖4中，赤道上。太陽每日視運動路線平面都與地平圈垂直。夏至日太陽從東北升起，正午位于天頂北側，于西北落下；二分日太陽從正東升起，正午位于天頂，于正西落下；冬至日太陽從東南升起，正午位于天頂南側，于西南落下。每日弧長都為半圓，意即赤道每日晝夜平分。

在圖5中，45°N地區。夏至日太陽從東北升起，于西北落下，其弧度大于半圓，表示晝長夜短；二分日太陽從正東升起，于正西落下，其弧度恰為半圓，表示剛好晝夜平分；冬至日太陽從東南升起，于西南落下，其弧度小于半圓，表示晝短夜長。每日正午太陽過天頂南側上中天。

對于夏至日的升落方位，有很多人不理解，認為這一天太陽直射北回歸線，直射點在觀測者以南，太陽怎么可能從偏北方位升起和落下呢？這里特別說明一下。其實，這天直射點在觀測者以南，是指正午而言，是說直射點比觀測者要更靠近南極點。由于太陽視運動路線為圓，在升起時刻和落下時刻，太陽在地平圈上，也就是分別落在東點和北點之間、西點和北點之間，自然是東北和西北方位了。到了子夜，太陽更是北側的下中天了。不過正午時，它仍在天頂南側。

在圖6中，北極點。夏至日太陽高度保持不變，太陽視運動路線全部在地平圈以上，為與地平圈平行的整圓，一日內太陽高度保持不變，始終為23°26’，為極夜現象；冬至日太陽運行在地平圈以下，始終不可見，為極夜現象；春秋二分始終運行在地平圈上，是出現極晝和極夜現象的臨界時點。

以圖4、圖5和圖6為基礎，可大致推算任意緯度和任意日期的太陽升落方位與晝夜長短狀況。