解讀太陽周日視運動軌跡圖

寧夏固原市第二中學（756000） 金衛東

解讀太陽周日視運動軌跡圖

寧夏固原市第二中學（756000） 金衛東

由于地球自西向東自轉，太陽大致東升西落。太陽周日視運動，就是太陽以地球自轉的相反方向，繞地軸并隨著天球（以觀察者為球心，以無限遠為半徑的球面，由于人的視角對遠近的分辨能力有限，看起來好像天體都投影在同一個球面上，即天球上）旋轉，以一個太陽日為周期自東向西運動。太陽東升西落運動在天球上形成的軌跡就是太陽周日視運動軌跡。通過太陽周日視運動軌跡圖能直觀形象地反映出地表任何地點任意一天內的正午太陽高度、晝夜長短、日出日落方位以及它們隨季節的變化。太陽周日視運動軌跡圖課本上沒有涉及，但高考要求學生掌握，因此，這往往成為學生學習的薄弱點，也成為教師教學的難點。筆者想通過圖解的辦法幫助讀者理解和應用太陽周日視運動軌跡圖。

一、太陽周日視運動軌跡圖的特征

圖1 40°N某地太陽周日視運動軌跡

如圖1，太陽周日視運動軌跡圖是以觀測者（O點）為球心，以無限遠為半徑繪制的球面（圖中只畫出了地平面以上的部分），過O點垂直向上與天球的交點為天頂；過O點做地球的切面，即地平面，地平面與天球的交線為地平圈；在地平圈上標出了地平方位（前面是南，后面是北，左邊是東，右邊是西）。由于太陽周日視運動軌跡是地球繞地軸自西向東自轉造成的，所以任何地方在任意一天的太陽周日視運動軌跡都是平行于赤道平面的圓，圖1中40°N某地在二分日和二至日的太陽周日視運動軌跡都是互相平行的；太陽周日視運動是地球自轉的相反運動（大致東升西落），所以太陽周日視運動方向是自東向西。

二分日太陽從正東升起，從正西落下（見圖1中的二分日）；春分日到秋分日，太陽直射北半球，太陽從東北升起從西北落下（見圖1中的夏至日）；秋分日到次年春分日，太陽直射南半球，太陽從東南升起從西南落下（見圖1中的冬至日）；圖1中A、B、C三點為在二分二至日太陽上中天的時刻（太陽距地平面最高的時刻），即正午時刻，∠AOS、∠BOS、∠COS分別是40°N某地二分日、夏至日、冬至日的正午太陽高度。對40°N而言，一年中太陽直射點始終在它的南面，所以圖1中A、B、C三點的投影點D、E、F都在觀測點O點的正南方。以夏至日為例，由日出點H向西經過S點到日落點I之間的角度可以反映出40°N該日的晝長，另一部分為夜長。

二、不同緯度的太陽周日視運動軌跡圖

雖然太陽周日視運動軌跡都與赤道平面平行，但不同緯度上的地平面與赤道平面的夾角不同（見圖2中的不同緯度的地平面1、2、3、4），不同緯度的太陽周日視運動軌跡與地平面的關系不同，有的地方太陽周日視運動軌跡與地平面平行，有的垂直，有的傾斜。

圖2 不同緯度的地平面

圖3 赤道上二分二至日太陽周日視運動軌跡

圖4 北極點極晝時的太陽周日視運動軌跡

圖5 南極點極晝時的太陽周日視運動軌跡

圖6 北半球與晨昏線相切并為極晝的緯線上的太陽周日視運動軌跡

圖7 南半球與晨昏線相切并為極晝的緯線上的太陽周日視運動軌跡

圖8 北半球與晨昏線相切的緯線圈以內的某緯線（處在極晝）上的太陽周日視運動軌跡

圖9 南半球與晨昏線相切的緯線圈以內的某緯線（處在極晝）上的太陽周日視運動軌跡

圖10 北回歸線與北極圈之間某緯線上二分二至日的太陽周日視運動軌跡

圖11 南回歸線與南極圈之間某緯線上二分二至日的太陽周日視運動軌跡

圖12 北回歸線上二分二至日的太陽周日視運動軌跡

圖13 10°N緯線上二分二至日的太陽周日視運動軌跡

圖3、圖10到圖13中的1、2、3分別代表二分日、夏至日、冬至日的太陽周日視運動軌跡。

由圖2得知，赤道上的地平面與赤道平面垂直，而太陽周日視運動軌跡與赤道平面平行，所以赤道上的太陽周日視運動軌跡與地平面垂直（見圖3）。

地球自西向東自轉，從北極上空看，地球自轉為逆時針方向，太陽周日視運動為順時針方向；從南極上空看，地球自轉為順時針，太陽周日視運動為逆時針。

兩極的地平面與赤道平面平行，而太陽周日視運動軌跡與赤道平面平行，所以兩極處在極晝期時太陽周日視運動軌跡與地平面平行（見圖4、圖5），站在北極點其他任何地方都在它的南面，北極的太陽周日視運動為順時針方向；站在南極點其他任何地方都在它的北面，南極的太陽周日視運動軌跡為逆時針方向。兩極點整天的太陽高度不變，都等于該日太陽直射點的緯度。

與晨昏線相切并處在極晝期的緯線上的太陽周日視運動軌跡與地平面相切，整個太陽視運動軌跡在地平面以上，北半球從切點升起，從切點落下，即太陽從地平面的正北落下的同時又從正北升起（見圖6）；南半球太陽從地平面的正南落下的同時又從正南升起（見圖7）。

北半球與晨昏線相切的緯線圈以內的某緯線（處在極晝）上的太陽周日視運動軌跡相對于地平面是傾斜的，因為是極晝，整個太陽周日視運動軌跡在地平面以上，而且整體高出地平面，其中最低點的太陽高度（見圖8中∠AON）為該日與晨昏線相切的緯線圈（正好為極晝）以內的某緯線和該日與晨昏線相切的緯線的緯度差，例如某日太陽直射20°N，與晨昏線相切正好為極晝的緯線緯度為70°N，如果圖8中繪制的是80°N緯線上某地的太陽周日視運動軌跡，那么∠AON＝80°-70°＝10°，而圖8中太陽周日視運動軌跡距離地平面的最高點為該地當日的正午太陽高度（見圖8中∠BOS），∠BOS的度數是可以用正午太陽高度公式計算出來的，∠BOS＝90°-（80°-20°）＝30°；南半球的同理（見圖9）。

北回歸線與北極圈之間某緯線上二分二至日的太陽周日視運動軌跡相對于地平面是傾斜的，因為在北回歸線與北極圈之間太陽直射點始終位于其南面，所以太陽周日視運動軌跡中相對地平面的最高點（正午時刻）都投影在觀測點的正南（見圖10）；南回歸線與南極圈之間地區都投影在觀測點的正北（見圖11）。

北回歸線上的太陽周日視運動軌跡和北回歸線與北極圈之間地區不同的是夏至日時太陽直射北回歸線，北回歸線上的正午太陽高度為90°，所以夏至日的太陽周日視運動軌跡經過天頂（見圖12）；南回歸線上冬至日的太陽周日視運動軌跡也經過天頂。

北回歸線和南回歸線之間一年有兩次太陽直射的機會，以10°N緯線上的太陽周日視運動軌跡（見圖13）為例，當太陽直射10°N緯線時，太陽從東北升起，從西北落下，正午太陽高度為90°，太陽周日視運動軌跡經過天頂（圖13中的軌跡4）。

三、典型題析

圖14為某地某日內太陽高度變化示意圖，該日太陽高度最高時物影朝向正北，當該地一日內物體影子最短時，太陽直射點的地理坐標為＿＿。