對“赤道上太陽終年正東升正西落”的辨析

浙江省溫州市溫州中學(xué)（325014） 雷鳴

對“赤道上太陽終年正東升正西落”的辨析

浙江省溫州市溫州中學(xué)（325014） 雷鳴

由于赤道上全年晝夜等長，在高中地理“地球運動”部分的高考復(fù)習(xí)課中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)一些地理老師認(rèn)為“赤道上太陽終年正東升正西落”，并利用赤道上全年周日視運動圖示（如圖1）加以解析，甚至一些地理刊物也曾刊登有這樣觀點的文章。筆者認(rèn)為這是他們對赤道上日出、日落時太陽方位的判斷依據(jù)存在重大疏漏，現(xiàn)從以下三個方面進(jìn)行辨析。

圖1

一、太陽周日圈會相交嗎？

天空呈球形，這是有目共睹的。天空看起來像個球面，人們就把廣漠的宇宙當(dāng)作球體看待，并把天體在天空中的視位置，當(dāng)作它們的真實位置。這樣一個假想的球體，叫做天球。天文上定義的“天球”是以地心為球心，以任意遠(yuǎn)為半徑的一個假想的球體。它是用作表示天體視運動的輔助工具。天球上基本的圓和點主要有：①地平圈是通過地心，且垂直于當(dāng)?shù)劂U垂線的平面的無限擴大，同天球相割而成的天球大圓。它把天球分成可見和不可見兩部分。地平圈的兩極是天頂和天底。②天赤道是地球赤道平面的無限擴大，同天球相割而成的天球大圓。天赤道分天球為南北兩半球。它的兩極叫天北極和天南極。天球上的“緯線圈”叫赤緯圈。天球上的“緯度”即赤緯值。

我們知道，地球自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的結(jié)果，最明顯的是天球的周日運動。地球自西向東自轉(zhuǎn)，在地球上的觀測者看來，地外的天空以相反的方向和相同的周期旋轉(zhuǎn)，這就是天球的周日運動。

一般說來，恒星作為天球上的定點（不考慮其自行），其周日運動是地球自轉(zhuǎn)的單純反映。它從如下三個方面具體反映地球自轉(zhuǎn)的情況（如圖2）：①恒星周日運動的路線（周日圈），都以南北天極為不動的中心。②天和地的關(guān)系，猶如球面與球心的關(guān)系，周日運動的方向同地球自轉(zhuǎn)方向相反。天體的東升西落，說明地球自西向東自轉(zhuǎn)。③恒星周日運動的周期（恒星日）和（角）速度，如實地反映了地球自轉(zhuǎn)的周期和它的角速度。顯然，某地所有恒星的周日圈互相平行，并與天赤道平面平行。

圖2 北半球某緯度的天球周日運動

不同天體的周日圈位置關(guān)系還可以通俗一點去分析：地球表面上的某定點隨地球自轉(zhuǎn)一周的路線即是該點的緯線圈。同樣的道理，恒星作為天球上的定點，其周日運動的路線（周日圈），也是該恒星所在的赤緯圈。因此，某地所有恒星的周日圈互相平行，并與天赤道平面平行。

圖3

圖4 北極的天體周日運動

圖5 赤道上的天體周日運動

由于地平圈是通過地心，且垂直于當(dāng)?shù)劂U垂線的平面，其兩極是天頂（即天頂?shù)降仄饺Φ慕蔷嚯x為90°）和天底。顯然，地心（O）、某地（A）和天頂（Z）在同一直線上（如圖3）。又因天赤道是地球赤道平面的無限擴大，同天球相割而成的天球大圓。因此，如設(shè)某地（A）的地理緯度為θ，則當(dāng)?shù)氐仄饺ζ矫媾c天赤道平面的夾角為（90°-θ）。由此可知，北極點上地平圈平面與天赤道平面的夾角為0°（即兩平面重合），其天體周日運動如圖4所示；赤道上地平圈平面與天赤道平面的夾角為90°（即兩平面垂直），其天體周日運動如圖5所示。

太陽是天球上的一個特殊天體，一方面與其它天體一樣以南北天軸為中心作周日運動，即我們平常所看到的太陽東升西落現(xiàn)象。另一方面由于地球的公轉(zhuǎn)，在地球上觀測者看來則是太陽沿黃道（地球公轉(zhuǎn)軌道無限延伸同天球相割的大圓）向東在恒星中穿梭，其周期為恒星年，這就是太陽的周年運動。太陽東升西落的周期，即我們平常說的晝夜變化，實際上是太陽周日運動和周年運動的會合周期，我們稱之為太陽日（實際上是真太陽日，這里不考慮真太陽日與平太陽日之分）。太陽日的長度是24小時，也就是說太陽連續(xù)兩次上中天的時間間隔是24小時。簡言之，由于黃赤交角的存在，使太陽周日運動的周期比其它恒星多3分56秒。

由于太陽赤緯值（太陽在天球上的“緯度”）變化于正負(fù)23°26′之間（地球上就是太陽直射點在南北回歸線之間移動），因此太陽的周日運動每天都有不同的周日圈（如果考慮一天之內(nèi)的太陽赤緯值變化，則其周日運動軌跡實際上是螺旋線）。同時，所有太陽周日圈相互平行，并與天赤道平面平行（如圖6）。更簡略一點還可以這樣推測：赤道上一年內(nèi)隨著太陽直射點的變化，引起太陽在天球上赤緯的變化，不同的赤緯就有不同的太陽周日圈（太陽的周日圈就是某日太陽所在的赤緯圈）。這種情形類似于赤道上某日不同天體的不同周日圈（如圖5），即把赤道上一年內(nèi)太陽的不同周日圈看成赤道上某日不同天體的周日圈。因此，圖1示意的赤道上全年太陽周日視運動，表明赤道上一年內(nèi)的太陽周日圈都相交于東、西兩點，這與實際不相符。

二、在太陽周日圈上能度量線距離嗎？

恒星周日運動的周期（恒星日）和（角）速度，如實地反映了地球自轉(zhuǎn)的周期和它的角速度。而一些地理老師對正確的赤道上太陽周日視運動示意圖（圖6）往往會提出一些質(zhì)疑：“赤道上的晝夜長短還是全年晝夜等長嗎？圖中所示二分二至日三個圓弧半徑是否相同？二至日實線與虛線部分是否相等？”不難看出，他們是對不同日期的太陽周日圈進(jìn)行線距離度量的前提下提出上述疑問的。眾所周知，太陽周日運動也是地球自轉(zhuǎn)的真實反映，它只是一種視運動，并非太陽的真運動，只能度量其方位和角距離。天文學(xué)上把天球定義為：“天球是以地心為球心，以任意遠(yuǎn)為半徑的一個假想的球體”。既然天球的半徑是任意長的，又怎能可以進(jìn)行比較不同日期的太陽周日圈的線距離呢？用圖6中所反映出的二至日周日圈周長比二分日短，從而推測其晝夜不等長，這完全是錯誤的。毋庸置疑，晝夜是否等長應(yīng)該取決于日出時間是否是當(dāng)?shù)?時。

圖6 赤道上太陽周日視運動示意圖

三、赤道上太陽只有東升西落時日出時間才是當(dāng)?shù)?時嗎？

眾所周知，赤道上全年晝夜平分，每日日出時間皆為當(dāng)?shù)?時。利用赤道上每日6時（當(dāng)?shù)氐胤綍r）日出的事實來斷定日出方位必定為正東升正西落，筆者認(rèn)為這也是完全錯誤的。赤道上一年內(nèi)日出方位的變化范圍是在東偏北23°26′與東偏南23°26′之間（如圖6，這里推導(dǎo)從略），那么每日日出時間為什么皆為當(dāng)?shù)?時呢？這個問題涉及時間的度量。下面筆者利用天文學(xué)上的第一赤道坐標(biāo)系（也稱時角坐標(biāo)系，用于時間度量，如圖7）來作具體分析。

圖7 第一赤道坐標(biāo)系的圓圈系統(tǒng)

在圖7中，ESWN為地平圈。QWQ′E為天赤道，P為天北極，P′為天南極，通過P和P′，垂直于天赤道的一切天球大圓，是天球的赤道經(jīng)圈，簡稱赤經(jīng)圈；一切與天赤道平行的圓，是天球的赤緯圈。天赤道與地平圈相交，得東點E、西點W（交點）和上點Q、下點Q′（遠(yuǎn)距點）。通過上點Q和下點Q′（也必通過南點S和北點N）的赤經(jīng)圈稱為子午圈，子午圈被天北極P和天南極P′等分為兩個半圓，通過N、Q′的半圓稱為子圈，通過Q、S的半圓稱為午圈。在第一赤道坐標(biāo)系中，午圈的功能等同于地理坐標(biāo)系中的本初子午線，是天體時角（是天體所在的赤經(jīng)圈相對于午圈的方向和角距離）度量的起始面。時角以上點為起點，沿天赤道向西度量，用以度量時間。該坐標(biāo)系中所表示的經(jīng)度即稱時角，赤經(jīng)圈便改稱時圈，并采用時間單位表示（每15折合1時）。上點、西點、下點和東點的時角，分別為0時、6時、12時、18時。通過東點和西點的赤經(jīng)圈，航海天文學(xué)上稱為六時圈，通過E點的一半稱為東六時圈，通過W點的一半稱為西六時圈。若以下點為起點，沿天赤道向東度量時間，東六時圈上時間則為6時。這就與地球上不同經(jīng)度的地方時計時相符。

觀測者所在地位于赤道上時，由于赤道上的地平圈垂直于天赤道，因此，第一赤道坐標(biāo)系將變成圖8所示情形。

圖8 赤道上的第一赤道坐標(biāo)系

圖8中，天赤道QWQ′E與地平圈ESWN相互垂直，六時圈PEP′W與地平圈ESWN重合，東六時圈PEP′上的時間皆為6時（以下點Q′為起點，沿天赤道向東度量），因此，雖然赤道上一年內(nèi)的日出方位在東偏北23°26′與東偏南23°26′之間發(fā)生變化，但每天的日出時間都是當(dāng)?shù)?時，從而全年晝夜平分。