地理教學(xué)中關(guān)于日出日落方位的探討

劉 運 明

(安慶師范學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院, 安徽 安慶 246133)

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地理教學(xué)中關(guān)于日出日落方位的探討

劉 運 明

(安慶師范學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院, 安徽 安慶 246133)

摘要：在高等師范院校地理教學(xué)實踐中，有關(guān)日出日落方位是一個較難理解且經(jīng)常被學(xué)生提到的問題。本文首先對教材的基本概念如方位、圓圈系統(tǒng)等進(jìn)行梳理，結(jié)合地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，對日出日落方位進(jìn)行了闡述和推理，詳細(xì)地說明了為何夏半年日出東北、日落西北，冬半年日出東南、日落西南的問題。最后，運用球面三角的方法，對日出日落的準(zhǔn)確方位進(jìn)行了計算并分析了與日出日落方位有關(guān)的要素。

關(guān)鍵詞：方位；日出日落；地理教學(xué)

日出日落方位無論是在中學(xué)地理教育還是在大學(xué)地理教育當(dāng)中都是非常重要的內(nèi)容，也是教學(xué)難點問題。教學(xué)過程中，很多學(xué)生對日出日落方位不甚理解，如作者經(jīng)常被問的一個問題是，為何春分后太陽東北升西北落，秋分后東南升西南落？產(chǎn)生這一疑問的主要原因在于學(xué)生對日出日落方位涉及的基本概念沒有牢固掌握并靈活運用。翻閱日出日落方位方面的論文，雖有多人做過這方面的討論[1-3]，但一般結(jié)合普通高中練習(xí)題論述，內(nèi)容過于具體，并沒有從原理上對日出日落方位做探討。

目前，高等師范院校地理科學(xué)(師范)專業(yè)大都開設(shè)《地球概論》課程，并且是專業(yè)必修課，該課程高校大都使用由金祖孟和陳自悟編寫、高等教育出版社出版的《地球概論》作為教材[4]，該教材對基本概念講解扎實明確， 通俗易懂，但可能出于篇幅的原因，對日出日落方位問題可以說是捎帶即過，并沒有做詳細(xì)討論。鑒于此，筆者從高等師范地理教育的角度，對日出日落方位的問題做一下探討。

1方位的概念與日出日落

首先我們回顧一下地球概論教材的內(nèi)容。方位的概念來自地平坐標(biāo)系，是指某一點相對南點(一些教材定義為相對于北點[5])的方向和角距離，是以南點為基準(zhǔn)順時針度量的[4]。在《地球概論》教材中，地平圈上的四個基本點即是東南西北四個方位點，地平圈上四個基本點是根據(jù)地平圈和天赤道的關(guān)系來確定的，地平圈與天赤道的兩個交點定義為東點和西點，與其相距90°的兩個點為南點和北點。天赤道是唯一的，是地球赤道無限放大后與天球相割所得的大圓。地平圈有無數(shù)多個，根據(jù)觀測者的位置而定。地球上的每一點，除對蹠點外，其所對應(yīng)的地平圈都是不同的，但對于地球上某一個確定的點來說，其地平圈是唯一的，該地也就有固定的四個基本點。

一天中，太陽東升西落走過的軌跡(圓圈)叫做周日圈，太陽周日圈與地平圈的兩個交點即日出日落的方位點，它們與地平圈上四個點之間的位置關(guān)系即為日出日落方位。太陽只有從東點升起、西點落下，我們說日出方位是東、日落方位是西。除此以外，日出方位都不可以稱為東，日落方位也不可以稱為西。只能是偏離東點和西點，從東南或東北升起，西南或西北落下。基于這一界定，我們就可以很好地理解日出日落方位了。

2兩種運動與日出日落方位

這里講的兩種運動，一是地球的自轉(zhuǎn)，即地球繞地軸的轉(zhuǎn)動，另一個則是地球的公轉(zhuǎn)，也就是地球繞太陽的轉(zhuǎn)動。日出日落的方位及其變化是與這兩種運動密切相關(guān)的。太陽的東升西落主要是地球自轉(zhuǎn)引起(公轉(zhuǎn)的貢獻(xiàn)相對較小)。日出日落方位是變化的，這種變化是由于地球的公轉(zhuǎn)引起的，地球的公轉(zhuǎn)是日出日落方位變化的根本原因。在地心天球中，由于地球的公轉(zhuǎn)，導(dǎo)致太陽的赤緯不斷變化，太陽半年位于天赤道以南，半年位于天赤道以北，日出日落方位也發(fā)生變化。

那么如何判定日出日落方位呢？既然周日圈是太陽一天內(nèi)走過的圓圈，我們可以首先來考慮太陽周日圈與天赤道之間的關(guān)系。地球的自轉(zhuǎn)方向是自西向東的，天球上天體的周日運動方向與之相反，是自東向西的，表現(xiàn)為天體的東升西落(嚴(yán)格地講，應(yīng)該是東半天升起，西半天落入地平線)。天球上的太陽隨著天球自東向西運動一周得到的周日圈與天軸(旋轉(zhuǎn)軸)是垂直的，而天赤道與天軸也是垂直的，可見，太陽周日圈與天赤道之間的關(guān)系必定是平行或重合的(圖1)。天赤道將天球劃分為南北兩個半球，當(dāng)太陽位于南半球時，其周日圈必定平行于天赤道并位于天赤道以南，周日圈與地平圈的兩個交點一個位于東點(E)和南點(S)之間，是日出的方位；一個位于南點(S)和西點(W)之間，是日落的方位。因此，當(dāng)太陽位于南半天球時，日出方位是東南，日落方位是西南。當(dāng)太陽位于北半天球時，其周日圈必定平行于天赤道并位于天赤道以北，周日圈與地平圈的兩個交點一個位于東點(E)和北點(N)之間，是日出的方位；另一個位于西點(W)和北點(N)之間，是日落的方位。也就是說，當(dāng)太陽位于北半天球時，日出方位是東北，日落方位是西北。在春分日和秋分日，太陽的周日圈與天赤道重合，日出方位是東，日落方位是西。

3日出日落方位的計算

以上是推理的方式討論日出日落的方位，實際上，日出日落的方位是可以通過計算準(zhǔn)確獲得的。這里我們參照教材[4]上關(guān)于日夜長短的計算方面的內(nèi)容，借助于球面天文的方法來獲取日出日落的準(zhǔn)確位置，如圖2所示。

圖2中，QWQ′E所組成的大圓為天赤道，NESW所組成的大圓為地平圈，與QWQ′E平行的小圓為太陽的周日圈，它與地平圈交于T和T′兩點，分別代表日落方位和日出方位。P為天北極，E和W分別為東點和西點。要求日出方位，可以先求弧T′E的角度，也即弧TW的角度。通過P和T的大圓垂直于天赤道，也就是時圈，與天赤道交于O點，球面角∠TOW為90°，TOW圍成的球面三角形為球面直角三角形。假設(shè)太陽赤緯為δ，某地的緯度為φ，則地平圈與天赤道的夾角為90°-φ，即∠TWO=90°-φ?；O實際上是太陽的赤緯δ，要求弧TW，可以運用球面三角形的正弦公式。在球面三角形TOW中，設(shè)弧TW=A，則

(1)

sin90°=1，化簡得

(2)

關(guān)系式(2)是日出方位與太陽赤緯和地理緯度之間的關(guān)系式。(2)式表明，日出方位與地理緯度、太陽赤緯相關(guān)。要求日出日落方位，只要知道當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥群彤?dāng)時的太陽赤緯即可。

特別地，

1)當(dāng)δ=0時，則sinδ=0，A=0。

此時為春分日或秋分日，太陽的周日圈與天赤道重合，全球各地在春分和秋分時，日出方位均為正東方。在北極地區(qū)，地平圈、天赤道和太陽周日圈三者重合，太陽沿地平圈運動。

2)當(dāng)δ=90°-φ≠0時，sinA=1，A=90°。

此時此地，日出和日落均在北點(N)，太陽永不落入地平線以下。在北半球，北極圈及其以北地區(qū)有此現(xiàn)象。

3)當(dāng)δ>90°-φ時，sinA>1，關(guān)系式無意義。但此時該區(qū)經(jīng)歷極晝，太陽在地平線之上。

參考文獻(xiàn):

[1] 應(yīng)淑英. 太陽方位和太陽高度的時空變化[J]. 讀寫算, 2013(4): 90-92.

[2] 趙軍珂. 日出日落方位的變化[J]. 現(xiàn)代閱讀, 2011(2):84-85.

[3] 袁平. 日出日落方位的判斷及應(yīng)用[J]. 考試周刊, 2012(20):136-137.

[4] 金祖孟, 陳自悟. 地球概論(第三版)[M]. 北京：高等教育出版社，1997:1-208.

[5] 宣煥燦, 蕭耐園. 圖解天文學(xué)[M]. 南京：南京大學(xué)出版社，2010:1-292.

Discussion on Azimuth of Sunrise and Sunset in Geography Teaching

LIU Yun-ming

(School of Resources and Environment Science, Anqing Teachers College, Anqing 246133, China)

Abstract:Azimuth of sunrise and sunset is a very important and difficult content which is often referred by the students during the lecturing of college geography. In this paper, the author reviews some basic terminologies and circles of spherical coordinates firstly. Combined with the earth rotation and the earth revolution, the principle of azimuth of sunrise and sunset is explained and illustrated. Detailed explanation is given on why sunrise from northeast and sunset from northwest during summer half year and sunrise from southeast and sunset from southwest during winter half year in northern hemisphere. Finally, spherical trigonometry is used to calculate accurate azimuth of sunrise and sunset. Declination of the sun and latitude of the studied area are two key influential factors to the change of azimuth of sunrise and sunset.

Key words:azimuth, sunrise and sunset, geography teaching

文章編號：1007-4260(2015)02-0140-03

中圖分類號：G642.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：劉運明，男，山東膠南人，博士，安慶師范學(xué)院資源環(huán)境學(xué)院講師，主要從事河流地貌學(xué)方面的研究。

收稿日期：2015-03-08