利用光照簡(jiǎn)圖 巧說(shuō)太陽(yáng)方位

王霞

太陽(yáng)東升西落，這在地球人看來(lái)是一個(gè)常識(shí)，在日常生活中往往也是根據(jù)日出日落方位來(lái)辨別方向。然而，嚴(yán)格地說(shuō)，僅把太陽(yáng)的升落地點(diǎn)作為地平面正東正西方向的判斷標(biāo)準(zhǔn)，這顯然是不準(zhǔn)確的。因?yàn)樵诘厍虮砻妫痪暥鹊牟煌竟?jié)，或同一季節(jié)不同緯度，太陽(yáng)在地平線上升落的地點(diǎn)均會(huì)發(fā)生明顯變化。以40°N地區(qū)為例（圖1），除春秋分兩日太陽(yáng)在全球各地都從正東方升起正西方落下外，其它日期都不是在固定的正東點(diǎn)和正西點(diǎn)。如在夏至日時(shí)，太陽(yáng)在東北方升起，在西北方落下，對(duì)此學(xué)生往往百思不得其解：明明太陽(yáng)只能直射在回歸線之間，太陽(yáng)應(yīng)始終位于40°N以南地區(qū)，怎么可能太陽(yáng)會(huì)跑到40°N以北的地方升起？

為了解答學(xué)生的疑難，筆者在教學(xué)實(shí)踐中運(yùn)用學(xué)生熟知的光照簡(jiǎn)圖，同時(shí)結(jié)合他們的日常觀察實(shí)踐，化難為易巧說(shuō)太陽(yáng)方位，取得了很好的效果。

所謂太陽(yáng)方位，指太陽(yáng)光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角，以正南方向?yàn)?°，由南向西為正數(shù)，向東為負(fù)數(shù)，至正北方向?yàn)檎?fù)180°。而高中地理中所說(shuō)的太陽(yáng)方位為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，不是用角度表示，而是用東西南北方向來(lái)表示的。為此，必須首先確定以觀察者為中心的方向判別：經(jīng)線確定南北方向，緯線確定東西方向，與地面垂直向上的方向?yàn)樘祉敗?/p>

一、正午太陽(yáng)方位

正午時(shí)，太陽(yáng)直射點(diǎn)與觀察者位于同一條經(jīng)線上，此時(shí)兩者之間只存在南北方向，不存在東西方向。觀察圖2夏至日太陽(yáng)光照?qǐng)D可以看出：在北回歸線上，太陽(yáng)光線與當(dāng)?shù)氐仄矫娲怪?，即太?yáng)位于觀察者頭頂；在北回歸線以北地區(qū)太陽(yáng)都位于南方；在北回歸線以南地區(qū)太陽(yáng)都位于北方；在南極圈上，正午時(shí)太陽(yáng)與地平面的夾角為0°，即太陽(yáng)根本就沒(méi)能升起，此時(shí)發(fā)生了極夜現(xiàn)象。由此可以推導(dǎo)出正午太陽(yáng)方位的普遍規(guī)律。

（1）太陽(yáng)直射地區(qū)，正午太陽(yáng)在正上方，即頭頂。

（2）太陽(yáng)直射點(diǎn)以北地區(qū)，正午太陽(yáng)在南方。

（3）太陽(yáng)直射點(diǎn)以南地區(qū)，正午太陽(yáng)在北方。

由于太陽(yáng)直射點(diǎn)只能在南北回歸線之間來(lái)回移動(dòng)，所以北回歸線以北的地區(qū)，正午時(shí)太陽(yáng)始終在南方，而南回歸線以南的地區(qū)，正午時(shí)太陽(yáng)始終在北方。

進(jìn)一步觀察圖2還可以直觀地看出，距離直射點(diǎn)越遠(yuǎn)，太陽(yáng)光線與地平面的夾角越小，即正午太陽(yáng)高度角越小。通過(guò)圖3、圖4，結(jié)合學(xué)生初中時(shí)所學(xué)的幾何知識(shí)，可以準(zhǔn)確地推導(dǎo)出任一緯度（ψ）正午太陽(yáng)高度角（H）與直射點(diǎn)緯度的數(shù)量關(guān)系：即H=90°-緯距（即直射點(diǎn)與所求地的緯度差距）。如圖3，某緯度（ψ）與直射點(diǎn)（δ）位于不同半球，它們的緯度差距是ψ+δ，此時(shí)H=90°-（ψ+δ）；圖4中，某緯度（ψ）與直射點(diǎn)（δ）位于相同半球，它們的緯度差距是|ψ-δ|，此時(shí)H=90°-|ψ-δ|

二、日出日落太陽(yáng)方位

晨昏線上太陽(yáng)的高度角為0°，可以表示日出、日落方位和時(shí)間。圖5表示夏至日全球日出日落方位，從圖上可以看出夏至日這一天太陽(yáng)光線的方向（代表太陽(yáng)升落的方向）與緯線方向（代表東西方向）并不平行，而是呈一夾角，太陽(yáng)光線出現(xiàn)在偏北方位，即太陽(yáng)升落方位不為正東、正西方位，而是在偏北的方位升落，并且與赤道的緯距越大偏北的角度越大，到南北極圈正好為正北升落，出現(xiàn)極晝極夜現(xiàn)象。由此也可以看出，只要太陽(yáng)直射點(diǎn)在北半球，日出、日落時(shí)的太陽(yáng)光線都出現(xiàn)在偏北方位，即太陽(yáng)是從東北方向升起，在西北方向降落。出現(xiàn)極晝現(xiàn)象的地區(qū)，太陽(yáng)從正北方向升起，然后太陽(yáng)高度逐漸升高，至中午12點(diǎn)時(shí)到達(dá)正南的天空，此時(shí)太陽(yáng)高度角達(dá)到最大，然后太陽(yáng)高度逐漸降低，至正北方向太陽(yáng)高度達(dá)到最??；出現(xiàn)極夜的地區(qū)太陽(yáng)在中午12點(diǎn)時(shí)在正北方向起落，即沒(méi)有出地平線就落了下去。

同樣可以從冬至太陽(yáng)光照?qǐng)D（圖6）得出，太陽(yáng)升落方位并不與緯線平行，即不為東西方位，而是偏南升落，同樣與赤道的緯距越大偏南的角度越大，到南北極圈正好為正南升落，出現(xiàn)極晝極夜現(xiàn)象。由此可以看出，只要太陽(yáng)直射點(diǎn)在南半球，日出日落時(shí)的太陽(yáng)光線都是出現(xiàn)在偏南方位，即太陽(yáng)是從東南方向升起，從西南方向降落；出現(xiàn)極晝極夜的地區(qū)，太陽(yáng)從正南方向升降。

只有在春秋分日時(shí)，太陽(yáng)光線與緯線平行，太陽(yáng)升落在正東和正西方位。

由此可以總結(jié)得出如下規(guī)律。

（1）太陽(yáng)直射北半球，全球太陽(yáng)從東偏北升起，西偏北落下；太陽(yáng)直射南半球，全球太陽(yáng)從東偏南升起，西偏南落下。

（2）緯度越高的地區(qū)，升落越偏北或偏南，到極晝極夜處成正北或正南升落。

（3）春秋分兩日，全球太陽(yáng)從正東升起，正西落下。