解讀太陽周日視運(yùn)動軌跡圖

寧夏固原市第二中學(xué)（756000） 金衛(wèi)東

解讀太陽周日視運(yùn)動軌跡圖

寧夏固原市第二中學(xué)（756000） 金衛(wèi)東

由于地球自西向東自轉(zhuǎn)，太陽大致東升西落。太陽周日視運(yùn)動，就是太陽以地球自轉(zhuǎn)的相反方向，繞地軸并隨著天球（以觀察者為球心，以無限遠(yuǎn)為半徑的球面，由于人的視角對遠(yuǎn)近的分辨能力有限，看起來好像天體都投影在同一個(gè)球面上，即天球上）旋轉(zhuǎn)，以一個(gè)太陽日為周期自東向西運(yùn)動。太陽東升西落運(yùn)動在天球上形成的軌跡就是太陽周日視運(yùn)動軌跡。通過太陽周日視運(yùn)動軌跡圖能直觀形象地反映出地表任何地點(diǎn)任意一天內(nèi)的正午太陽高度、晝夜長短、日出日落方位以及它們隨季節(jié)的變化。太陽周日視運(yùn)動軌跡圖課本上沒有涉及，但高考要求學(xué)生掌握，因此，這往往成為學(xué)生學(xué)習(xí)的薄弱點(diǎn)，也成為教師教學(xué)的難點(diǎn)。筆者想通過圖解的辦法幫助讀者理解和應(yīng)用太陽周日視運(yùn)動軌跡圖。

一、太陽周日視運(yùn)動軌跡圖的特征

圖1 40°N某地太陽周日視運(yùn)動軌跡

如圖1，太陽周日視運(yùn)動軌跡圖是以觀測者（O點(diǎn)）為球心，以無限遠(yuǎn)為半徑繪制的球面（圖中只畫出了地平面以上的部分），過O點(diǎn)垂直向上與天球的交點(diǎn)為天頂；過O點(diǎn)做地球的切面，即地平面，地平面與天球的交線為地平圈；在地平圈上標(biāo)出了地平方位（前面是南，后面是北，左邊是東，右邊是西）。由于太陽周日視運(yùn)動軌跡是地球繞地軸自西向東自轉(zhuǎn)造成的，所以任何地方在任意一天的太陽周日視運(yùn)動軌跡都是平行于赤道平面的圓，圖1中40°N某地在二分日和二至日的太陽周日視運(yùn)動軌跡都是互相平行的；太陽周日視運(yùn)動是地球自轉(zhuǎn)的相反運(yùn)動（大致東升西落），所以太陽周日視運(yùn)動方向是自東向西。

二分日太陽從正東升起，從正西落下（見圖1中的二分日）；春分日到秋分日，太陽直射北半球，太陽從東北升起從西北落下（見圖1中的夏至日）；秋分日到次年春分日，太陽直射南半球，太陽從東南升起從西南落下（見圖1中的冬至日）；圖1中A、B、C三點(diǎn)為在二分二至日太陽上中天的時(shí)刻（太陽距地平面最高的時(shí)刻），即正午時(shí)刻，∠AOS、∠BOS、∠COS分別是40°N某地二分日、夏至日、冬至日的正午太陽高度。對40°N而言，一年中太陽直射點(diǎn)始終在它的南面，所以圖1中A、B、C三點(diǎn)的投影點(diǎn)D、E、F都在觀測點(diǎn)O點(diǎn)的正南方。以夏至日為例，由日出點(diǎn)H向西經(jīng)過S點(diǎn)到日落點(diǎn)I之間的角度可以反映出40°N該日的晝長，另一部分為夜長。

二、不同緯度的太陽周日視運(yùn)動軌跡圖

雖然太陽周日視運(yùn)動軌跡都與赤道平面平行，但不同緯度上的地平面與赤道平面的夾角不同（見圖2中的不同緯度的地平面1、2、3、4），不同緯度的太陽周日視運(yùn)動軌跡與地平面的關(guān)系不同，有的地方太陽周日視運(yùn)動軌跡與地平面平行，有的垂直，有的傾斜。

圖2 不同緯度的地平面

圖3 赤道上二分二至日太陽周日視運(yùn)動軌跡

圖4 北極點(diǎn)極晝時(shí)的太陽周日視運(yùn)動軌跡

圖5 南極點(diǎn)極晝時(shí)的太陽周日視運(yùn)動軌跡

圖6 北半球與晨昏線相切并為極晝的緯線上的太陽周日視運(yùn)動軌跡

圖7 南半球與晨昏線相切并為極晝的緯線上的太陽周日視運(yùn)動軌跡

圖8 北半球與晨昏線相切的緯線圈以內(nèi)的某緯線（處在極晝）上的太陽周日視運(yùn)動軌跡

圖9 南半球與晨昏線相切的緯線圈以內(nèi)的某緯線（處在極晝）上的太陽周日視運(yùn)動軌跡

圖10 北回歸線與北極圈之間某緯線上二分二至日的太陽周日視運(yùn)動軌跡

圖11 南回歸線與南極圈之間某緯線上二分二至日的太陽周日視運(yùn)動軌跡

圖12 北回歸線上二分二至日的太陽周日視運(yùn)動軌跡

圖13 10°N緯線上二分二至日的太陽周日視運(yùn)動軌跡

圖3、圖10到圖13中的1、2、3分別代表二分日、夏至日、冬至日的太陽周日視運(yùn)動軌跡。

由圖2得知，赤道上的地平面與赤道平面垂直，而太陽周日視運(yùn)動軌跡與赤道平面平行，所以赤道上的太陽周日視運(yùn)動軌跡與地平面垂直（見圖3）。

地球自西向東自轉(zhuǎn)，從北極上空看，地球自轉(zhuǎn)為逆時(shí)針方向，太陽周日視運(yùn)動為順時(shí)針方向；從南極上空看，地球自轉(zhuǎn)為順時(shí)針，太陽周日視運(yùn)動為逆時(shí)針。

兩極的地平面與赤道平面平行，而太陽周日視運(yùn)動軌跡與赤道平面平行，所以兩極處在極晝期時(shí)太陽周日視運(yùn)動軌跡與地平面平行（見圖4、圖5），站在北極點(diǎn)其他任何地方都在它的南面，北極的太陽周日視運(yùn)動為順時(shí)針方向；站在南極點(diǎn)其他任何地方都在它的北面，南極的太陽周日視運(yùn)動軌跡為逆時(shí)針方向。兩極點(diǎn)整天的太陽高度不變，都等于該日太陽直射點(diǎn)的緯度。

與晨昏線相切并處在極晝期的緯線上的太陽周日視運(yùn)動軌跡與地平面相切，整個(gè)太陽視運(yùn)動軌跡在地平面以上，北半球從切點(diǎn)升起，從切點(diǎn)落下，即太陽從地平面的正北落下的同時(shí)又從正北升起（見圖6）；南半球太陽從地平面的正南落下的同時(shí)又從正南升起（見圖7）。

北半球與晨昏線相切的緯線圈以內(nèi)的某緯線（處在極晝）上的太陽周日視運(yùn)動軌跡相對于地平面是傾斜的，因?yàn)槭菢O晝，整個(gè)太陽周日視運(yùn)動軌跡在地平面以上，而且整體高出地平面，其中最低點(diǎn)的太陽高度（見圖8中∠AON）為該日與晨昏線相切的緯線圈（正好為極晝）以內(nèi)的某緯線和該日與晨昏線相切的緯線的緯度差，例如某日太陽直射20°N，與晨昏線相切正好為極晝的緯線緯度為70°N，如果圖8中繪制的是80°N緯線上某地的太陽周日視運(yùn)動軌跡，那么∠AON＝80°-70°＝10°，而圖8中太陽周日視運(yùn)動軌跡距離地平面的最高點(diǎn)為該地當(dāng)日的正午太陽高度（見圖8中∠BOS），∠BOS的度數(shù)是可以用正午太陽高度公式計(jì)算出來的，∠BOS＝90°-（80°-20°）＝30°；南半球的同理（見圖9）。

北回歸線與北極圈之間某緯線上二分二至日的太陽周日視運(yùn)動軌跡相對于地平面是傾斜的，因?yàn)樵诒被貧w線與北極圈之間太陽直射點(diǎn)始終位于其南面，所以太陽周日視運(yùn)動軌跡中相對地平面的最高點(diǎn)（正午時(shí)刻）都投影在觀測點(diǎn)的正南（見圖10）；南回歸線與南極圈之間地區(qū)都投影在觀測點(diǎn)的正北（見圖11）。

北回歸線上的太陽周日視運(yùn)動軌跡和北回歸線與北極圈之間地區(qū)不同的是夏至日時(shí)太陽直射北回歸線，北回歸線上的正午太陽高度為90°，所以夏至日的太陽周日視運(yùn)動軌跡經(jīng)過天頂（見圖12）；南回歸線上冬至日的太陽周日視運(yùn)動軌跡也經(jīng)過天頂。

北回歸線和南回歸線之間一年有兩次太陽直射的機(jī)會，以10°N緯線上的太陽周日視運(yùn)動軌跡（見圖13）為例，當(dāng)太陽直射10°N緯線時(shí)，太陽從東北升起，從西北落下，正午太陽高度為90°，太陽周日視運(yùn)動軌跡經(jīng)過天頂（圖13中的軌跡4）。

三、典型題析

圖14為某地某日內(nèi)太陽高度變化示意圖，該日太陽高度最高時(shí)物影朝向正北，當(dāng)該地一日內(nèi)物體影子最短時(shí)，太陽直射點(diǎn)的地理坐標(biāo)為＿＿。