太陽周日運動軌跡圖的繪制方法

趙小瑞陳 杰向梨麗

（1. 北京師范大學地理學與遙感科學學院, 北京 海淀 100875; 2. 成都市新都一中, 四川 成都 610500）

太陽周日運動軌跡圖的繪制方法

趙小瑞1陳 杰1向梨麗2

（1. 北京師范大學地理學與遙感科學學院, 北京 海淀 100875; 2. 成都市新都一中, 四川 成都 610500）

一、太陽周日運動形成的原理

由于地球繞地軸自西向東旋轉而使得地球上的人觀測到太陽有“東升西落”的現象，這是我們通常所理解的太陽周日運動。我們可以利用地心天球（見圖1）來得到太陽周日運動形成的原理。

圖1 地心天球

1.地心天球

所謂地心天球是指以地心為球心，以任意遠為半徑的一個假想球體。

地軸無限延長即為天軸，它與天球有兩個交點，北端的交點叫天北極，南端的交點叫天南極。

我們把赤道平面無限擴大，它會與天球相割而形成一個大圓，我們稱之為天赤道，它將天球分為南北兩個半球，兩極即為天北極和天南極。天球上和天赤道平行的所有圓叫做赤緯圈，天赤道以北為正值，以南為負值。天赤道為0°赤緯圈；在天球北半球找出所有與地心連線和天赤道所在平面所構成的線面角為23.5°的點，它們的連線所成的圓即為23.5°赤緯圈，在天球南半球找出所有與地心連線和天赤道所在平面所構成的線面角為23.5°的點，它們的連線所成的圓即為-23.5°赤緯圈。

2.太陽周日運動的方向與軌跡

因為地球自西向東繞地軸旋轉，相應的太陽在地心天球中繞天軸做自東向西的運動，其周日運動軌跡恰與其所在赤緯圈重合，形成一個圓圈，我們稱為周日圈。

一年之中，太陽直射點在地球上的位置不是固定的，而是在南北緯23.5°之間（包括南北緯23.5°）做回歸運動。從而，一年之中太陽周日運動軌跡就應為23.5°赤緯圈與-23.5°赤緯圈之間的所有赤緯圈（包括23.5°赤緯圈和-23.5°赤緯圈）。其中23.5°赤緯圈為北半球夏至日時太陽周日運動軌跡，-23.5°赤緯圈為北半球冬至日太陽周日運動軌跡，0°赤緯圈為春秋分太陽周日運動軌跡。

我們掌握了太陽周日運動的形成原理，下一步就可以繪制各地的太陽周日運動軌跡圖了。

二、繪制某地太陽周日運動軌跡圖的方法

一地的太陽周日運動軌跡，是以該地為中心觀測到的太陽運動路線，日出為起點，日落為終點。日出指太陽初升出地平圈的時刻，日落指太陽完全沒入地平圈以下的那一時刻。如果我們要畫出某地太陽周日運動軌跡就必須先找到這兩個點。在地心天球中，我們只要畫出該地地平圈，它與當日周日圈的兩個交點就是日出點和日落點，地平圈以上的周日圈即為當地周日運動軌跡。我們以北緯10°某地為例進行繪制，具體步驟如下。

1.繪制當地鉛垂線

當地鉛垂線即為當地與地心的連線，無限延長與天球有兩個交點，叫做天頂和天底（見圖2）。

圖2

2.繪制地平圈并確定方位

地平圈是通過地心，且垂直于當地鉛垂線的平面的無限擴大，同天球相割而成的天球大圓。地平圈將天球分為可見和不可見兩個部分，兩極為天頂和天底，天頂是位于可見部分的極點，天底是位于不可見部分的極點。通過繪制北緯10°某地地平圈我們會發現，地平圈與天赤道所在平面夾角與當地地理緯度互余，天頂天底連線和天赤道的夾角等于當地緯度（見圖3）。

圖3

地平圈與天赤道的兩個交點是東點和西點。地平圈對于天赤道的兩個遠距點（與交點間隔90°的點）是南點和北點，靠近天北極的為北點，靠近天南極的為南點。它們分別是東方、西方、南方和北方的標志（見圖3）。

3.確定太陽周日運動軌跡

地平圈與當日周日圈有兩個交點，距東點最近的交點為日出點，距西點最近的交點為日落點。周日圈中距天頂最近的點為當地正午太陽所在位置。這三點所構成的圓弧即為當地可見太陽周日運動軌跡（見圖3）。到此，只要旋轉圖3得到圖4，再擦除地平圈以下部分就可得到常見的太陽周日運動軌跡圖（見圖5）。

圖4

圖5

三、快速繪制不同地區太陽周日運動軌跡圖的方法

如果掌握了太陽周日運動的原理，我們不難發現，想要繪制出某地太陽周日運動軌跡圖，只需畫出當地天赤道即可，天赤道為當地春秋分時太陽周日運動軌跡，其他時間所有太陽周日運動軌跡都與之平行，最南最北分別到達±23.5°赤緯圈。而天赤道與當地地平圈夾角剛好與當地地理緯度互余。以赤道、南緯40°、北緯70°某地為例，我們分別繪制各地二分二至日太陽運動軌跡圖。

1. 繪制當地地平圈和可見天球，并確定地平圈上方位和天頂位置（見圖6）。

2. 繪制出當地天赤道，天赤道與地平圈夾角與當地地理緯度互余。因為南半球位于天赤道以南，所以其天頂在天赤道以南；同理，北半球某地天頂位于天赤道以北，赤道上某地天頂位于天赤道上（見圖7）。

3. 二分二至日太陽周日運動軌跡分別與天赤道、23.5°赤緯圈和-23.5°赤緯圈重合，所以在圖中繪制23.5°赤緯圈和-23.5°赤緯圈即可得到當地二分二至日太陽周日運動軌跡圖（見圖8）。

圖6

圖7

圖8

掌握太陽周日運動對解決日出日落方位及其變化規律、日影長短及朝向變化規律、晝夜長短及其變化規律和正午太陽高度及其變化規律等問題有重要意義。本文以太陽周日運動形成原理為基礎，詳細講解繪制了太陽周日運動軌跡圖的方法，不僅可以從根本上幫助我們理解太陽周日運動，而且對于更好地認識和掌握與太陽周日運動相關的自然現象與規律具有重要的意義。在教學實踐中，教師真正需要掌握的不單單是簡單地判讀太陽周日運動軌跡圖的方法，更重要的是太陽周日運動的原理，以及利用這一原理繪制太陽周日運動軌跡圖的技能，這樣才更有助于幫助學生解決相關問題。

[1] 金祖孟,陳自悟.地球概論[M].北京:高等教育出版社,1997.