太阳周日视运动路线示意图解析

摘 要：用太阳周日视运动图不仅可以一目了然地揭示昼夜长短和正午太阳高度随纬度和季节变化，也可以清楚地揭示太阳高度的日变化，并且还可以准确地显示太阳的升落方位。

关键词：天球；正午太阳高度；太阳升落方位；昼夜长短

中图分类号：G427 文献标识码：A 文章编号：1992-7711（2012）20-054-2

在历年各地试题中经常会遇到有关考核太阳周日视运动内容的题目，由于现行地理教材中没有安排这方面的示意图，而且太阳周日视运动图涉及到天球坐标系，相当一部分学生缺乏较抽象的空间想象能力，不容易理解透彻。本文试图简洁阐述之。

一、图中天球上的基本要素

在常见的光照图上，圆心表示地心，圆表示地球。而在太阳周日视运动图上，圆心表示地球上的观测者，当然也可以看作是地心或地球，而圆代表半径为无限远的天球。图1

图1是以北纬40°观测者为中心的天球图，最高点叫天顶，其对跖点（球面上同一直径的两个端点）叫天底。通过图2不难证明：北极星的高度等于当地的地理纬度（由于地球半径与地球到北极星的距离相比微乎其微，也就是说北极星对地球上任意两点所张的视角接近0°，因此在证明过程中可以把这个角的两边画成平行线）。这样北极星就位于该地地平圈上方40°，过O点和北极星的直线为地轴，如图3。

图中北极星在地平圈上的投影点叫北点（图3中的A点），其对跖点叫南点，它们与东点、西点平分地平圈，这便是我们通常所指的地平面上的四个基本方位（见图1）。地平圈以上的半个天球就是观测者此时能看到的半个天球。若太阳位于地平圈以上，就意味着观测者处于白天，否则就处于黑夜。

二、太阳视运动路线

太阳周日视运动是地球自转的相对运动。从北极上空俯视，地球自转方向是逆时针，所以从天北极上空俯视，太阳周日视运动方向是顺时针。由于地球是绕地轴自转的，因而太阳视运动圆圈应垂直于地轴，也就是纬线平面与天球的交线，它们互相平行。其中春分秋分圆圈（数字②）就是天赤道，冬夏至两个圆圈的赤纬均为23°26’。图4、图5和图6分别是观测者位于赤道、45°N和北极三个纬度的二分二至日太阳视运动路线斜视图。其中，①代表夏至，②代表春秋分，③代表冬至。

从图中可以看到，无论在什么纬度，不同日期的太阳视运动路线是互相平行且又垂直于地轴的天球纬线。

在图4中，北极星位于地平线上，春秋二分时正午太阳位于天顶，这两天太阳直射赤道，②与天赤道重合。二至日路线与二分日纬距相隔23°26’。

在图6中地平圈即为天赤道，北极星位于天顶。夏至日路线在地平圈上方23°26’，冬至日看不到太阳，为极夜现象。

从图4到图6，观测者的纬度逐渐增大，导致北极星的高度逐渐增大，太阳视运动路线平面的倾角逐渐变小，观测者处的正午太阳高度和昼夜长短状况也发生了变化。

三、分析太阳高度的日变化和正午太阳高度的变化

太阳和观测者的连线与地平面的夹角叫太阳高度，从各图中能直接看出太阳高度从日出开始增大，正午太阳高度最大，下午逐渐减小。

从各图中还可明显地看出，不同季节的正午太阳高度不同。天顶与太阳的纬距越小，其正午太阳高度越大。下表是赤道、45°N和北极三个纬度的二分二至日正午太阳高度数据，黄赤交角取23°26’。

四、分析太阳升落方位与昼夜长短状况的变化

在图4中，赤道上。太阳每日视运动路线平面都与地平圈垂直。夏至日太阳从东北升起，正午位于天顶北侧，于西北落下；二分日太阳从正东升起，正午位于天顶，于正西落下；冬至日太阳从东南升起，正午位于天顶南侧，于西南落下。每日弧长都为半圆，意即赤道每日昼夜平分。

在图5中，45°N地区。夏至日太阳从东北升起，于西北落下，其弧度大于半圆，表示昼长夜短；二分日太阳从正东升起，于正西落下，其弧度恰为半圆，表示刚好昼夜平分；冬至日太阳从东南升起，于西南落下，其弧度小于半圆，表示昼短夜长。每日正午太阳过天顶南侧上中天。

对于夏至日的升落方位，有很多人不理解，认为这一天太阳直射北回归线，直射点在观测者以南，太阳怎么可能从偏北方位升起和落下呢？这里特别说明一下。其实，这天直射点在观测者以南，是指正午而言，是说直射点比观测者要更靠近南极点。由于太阳视运动路线为圆，在升起时刻和落下时刻，太阳在地平圈上，也就是分别落在东点和北点之间、西点和北点之间，自然是东北和西北方位了。到了子夜，太阳更是北侧的下中天了。不过正午时，它仍在天顶南侧。

在图6中，北极点。夏至日太阳高度保持不变，太阳视运动路线全部在地平圈以上，为与地平圈平行的整圆，一日内太阳高度保持不变，始终为23°26’，为极夜现象；冬至日太阳运行在地平圈以下，始终不可见，为极夜现象；春秋二分始终运行在地平圈上，是出现极昼和极夜现象的临界时点。

以图4、图5和图6为基础，可大致推算任意纬度和任意日期的太阳升落方位与昼夜长短状况。