太陽周年視運動“8”字形態的定性解釋

陶賢贊??

摘要：太陽周年視運動是指一年內太陽位置的視變化，是地球公轉運動的一種表現。根據拍攝的合成圖來看，太陽位置在每天的同一時刻位置不同，軌跡呈“8”字形態。感覺這與高中的地理課本有點出入，有點奇怪。本文對此做出粗略的定性解釋。

關鍵詞：太陽周年；定性；解釋

圖1極地某地區地方時12時太陽周年位置軌跡示意圖

圖2克里米亞半島天體物理天文臺拍攝的太陽周年視運動的精彩照片

出入在哪呢？比方說如圖1，北回歸線以北正午太陽位置永遠在正南，這應該沒有懷疑的地方，但圖1的太陽位置變化，這樣的話按理來說圖上每一個太陽位置都表示正南方向，正南方向就有多個。這顯然是荒謬的，因為地理南極只有一個，在同一個地方正南方只有一個。那么我想，問題應該出在拍攝的問題上。

世界標準時采用的是平均太陽日（平太陽日），為24小時，拍攝是定時拍攝的（隔5-10天定時拍攝一次），按照的應該也是平均太陽日。但地球軌道不是正圓，而是接近正圓的橢圓，這就造成了每天的太陽日不同，即地方時12時并不一定是正午，那么太陽位置也就不一定在正南方位了。

圖3地球公轉軌道示意圖

一、 視方位的相似性原理

定理：如果日地的相對方位位置相同，那么太陽的視位置方位便是相同的。

如圖4所示的以太陽為中心的放射狀灰線，假想地球在其中的一條灰線上移動，那么不管地球在線上的位置如何，太陽方位都是一致的，只是太陽的視覺大小不同。

二、 夏至與冬至

地球公轉過程中，地軸的傾向變動很小，我們視地軸傾向不變，由于地球公轉軌道接近正圓，因

軌道位置導致的氣候年差異較小，主要是地軸的相對太陽朝向差異引起的。當地軸北方向朝太陽時，為夏至日，背向太陽時為冬至日。但夏至日與遠日點、冬至日與近日點并不重合。

圖4地球公轉軌道示意圖2

圖5地軸朝向影響示意

三、 太陽日公轉差異

如果假定地球自轉周期不變，則太陽日的長短跟地球相對太陽公轉的角速度ω（ω=v公轉sinαr）和地球相對軌道的角速度ω自轉（ω自轉=vcosθ）密切相關。自轉方向與公轉方向相同時，太陽日比恒星日長，且公轉角速度越快，太陽日增長越長。由于速度與日地連線有夾角，且日地距離r并不是定值，所以并不是在遠日點時ω最小，在近日點時ω最大。

還有是地軸朝向的影響，地球自轉方向決定了地球自轉速度在軌道上的分速度。（如圖5）當地軸指向與公轉速度垂直（夏至、冬至日附近）時，地球自轉速度完全作用在軌道上，太陽日較長；當地軸指向與公轉速度共面（春秋分附近）時夾角最大（大小為黃赤交角），這時只有在軌道方向上的分速度與公轉角速度相抵消，太陽日較短。

當太陽日較短時，相比平太陽日，地方時12時太陽要落后于實際太陽位置，則太陽位于正南偏西側（圖1中右側），太陽日最小時（約11月3日）在最西側。太陽日較長時，相比平太陽日，地方時12時太陽要提前于實際太陽位置，則太陽位于正南偏東側（圖1中左側），太陽日最大時（約2月12日）在最東側。

由于太陽日既受軌道影響，又受地軸傾向影響，較為復雜，地球相對太陽的角速度并不是在近（遠）日點或是夏至、冬至取極值，且軌道上一共有4個極值點，ω反向變化4次，造成了軌跡的回走。

特別地，在北半球來看“8”字呈上小下大的形態，而在南半球相反，為上大下小，這也好理解，因為同一時間內“8”字形態東西方向位置全球一致（因為全球的真太陽日都同步），只是在太陽高度上各個緯度不同，南北半球季節相反，相當于左右不變，上下顛倒了。大致從北往南“8”字上部逐漸變大，下部逐漸變小。

參考文獻：

[1]普通高中課程標準實驗教科書（人教版）物理必修2[M].北京：人民教育出版社，2014.

[2]普通高中課程標準實驗教科書（湘教版）地理必修1[M].湖南教育出版社，2014.

[3]高中物理奧林匹克競賽標準教材[M].中國科學技術大學出版社，2016.