浅析太阳视运动规律

由于地球由西向东进行自转运动，从地球上看太阳是从东方升起、在西方落下，在升落的过程中太阳距离地面的高度也是时刻发生变化的。这种变化过程就是太阳周日视运动。因为黄赤交角的存在，太阳直射点在回归线之间进行有规律地移动，所以地球上的某地一年中太阳周日视运动轨迹也产生了变化，影响了太阳的升落方位和上中天时太阳在天空中的方位。

天球是一个想象的旋转的球体，理论上具有无限大的半径，与地球（或选定点）同心。我们看到的天体都是天体在这个巨大球面上的投影位置，也就是用天体在天空中的视位置当作天体的真实位置。如图1所示，地球的自转轴无限延长，同天球球面相交于两点，分别叫做天北极和天南极。地球赤道平面无限扩大，同天球相交的大圆，叫做天赤道。地球在自转的同时，还绕太阳公转。但从地球上看，倒是像太阳在绕地球运动。地球上过去一年，太阳也就沿着黄道运行了一周，这叫做太阳的周年视运动。在天球坐标系中，天赤道和黄道相交于两点分别表示为春分点和秋分点。春分时，太阳直射赤道；夏至时，太阳直射北回归线；秋分时，太阳直射赤道；冬至时，太阳直射南回归线。

在太阳的周年视运动过程中，时刻伴随着由于自转产生的周日视运动。夏至日这一天太阳的周日视运动如图2所示，以观测者为中心，太阳周日视运动的轨迹与地轴垂直。春、秋分日时，该轨迹与天赤道平面重合。由此推断，在一年内，太阳周日视运动的轨迹都是与天赤道平行的平面。北半球夏半年，太阳位于春分点――夏至点――秋分点之间，北半球冬半年的情况可以依此推断（如图1）。

对于地球上的我们来说能够直接观测到的天球是位于地平之上的半个球形的天空――“天穹”。因此，要想确定太阳周日视运动的规律，首先就得弄清楚天赤道、地平圈之间的关系；其次就是确定地平圈上的东、南、西、北四个方位。如图3所示，圆球面表示天球，P点代表地球上的观测者，它处于天球的中心。若将观测者P所在的地平面向外扩展与天球相交，于是构成了天球上一个基圈，称为地平圈。与地平圈相垂直，从观测者头顶向上延伸交天球上的一点X，称为天顶；而从观测者脚底向下延伸交天球上的另一点Y，称为天底。当某地正午太阳高度角为90°时，太阳刚好位于当地天顶。

在图3中，地平圈上方向的确定方法是：可通过太阳的升落先判断东西方向，再利用“上北下南、左西右东”的方法确定南北方向。下面我们通过天赤道、黄道、地平圈、太阳周日视运动轨迹之间的关系来确定太阳的升落方位。如图4所示，对于不在赤道上且不在极昼、极夜范围内的P点，夏至日太阳周日视运动的轨迹如图中“太阳运动轨迹”所示。当P点位于北半球时，位于P点的观测者能观测到的视运动轨迹是地平圈以上天球部分的太阳运动情况，即曲线RHL。可以看到：北半球夏至日，该地太阳从东北方升起、在西北方落下；太阳在H位置时上中天，位于P点地平面正南方向的天空。当P点位于南半球同纬度时，图4中该地地平面上东西方向对换，而南北方向不变，“天穹”与北半球相反。此时，位于P点的观察者能观测到的视运动轨迹仍旧是地平圈以上天球部分的太阳运动情况，对应为图中曲线LhR。可以看到：北半球夏至日，该地太阳仍旧从东北方升起、在西北方落下；太阳在h位置时上中天，位于P点地平面正北方向的天空。下面我们再来分析赤道地区太阳周日视运动的规律。

由于赤道地区的地平面和赤道相互垂直，所以在天球图中赤道处的地平圈与天赤道和太阳周日视运动的轨迹也相互垂直，如图5所示，当北半球夏至日时，在赤道上太阳从东北方升起、在西北方落下。由图4和图5可知，北半球夏至日时，全球除了出现极昼、极夜区域之外太阳都是从东北方升起、在西北方落下。

由于黄赤交角的存在，太阳直射点不断发生变化，使得周日视运动的轨迹在夏至日运动轨迹和冬至日运动轨迹之间不断变化。所以当北半球为夏半年时，太阳周日视运动轨迹都在天赤道以北，全球除了出现极昼、极夜区域之外太阳都从东北方升起、西北方落下，并且随着纬度增加，东偏北或西偏北的角度也在增加。在出现极昼的地区，太阳从正北方升起，经过正南方天空再到正北结束一天的视运动，太阳一整天都位于地平之上。下面我们通过简图来归纳这些变化规律。图6为太阳直射北半球时，全球各地太阳周日视运动轨迹图。规律总结如下：

1.赤道上太阳周日视运动轨迹如图6曲线L1，东北方日出、西北方日落，正午时太阳位于正北方。

2.直射点与极昼圈之间太阳周日视运动轨迹如图6曲线L3，东北方日出、西北方日落，正午时太阳位于正南方。

3.直射点与极夜圈之间太阳周日视运动轨迹如图6曲线L2，东北方日出、西北方日落，正午时太阳位于正北方。

4.极昼圈上太阳周日视运动轨迹如图6曲线L5，正北方日出、正北方日落，正南方太阳高度最大。

5.极昼圈与极点之间太阳周日视运动轨迹如图6曲线L4，正北方日出、正北方日落，太阳始终悬于地平之上。

6.因为极点的地平圈和天赤道平行，所以极点的太阳周日视运动轨迹始终位于当地地平面以上近似相同高度的天空，几乎没有起落的变化，如图6直线H4。 [G]