太陽光照射物體的角度

◎文圖 中國科學(xué)院國家天文臺 郭紅鋒

居住在中緯度地區(qū)的人們都知道，房子的朝向太重要了，例如在北京及周邊地區(qū)，朝南的房間要比朝北的房間價格高。原因就是南向的房間冬暖夏涼，而東、西向的房間卻冬涼夏熱，這是為什么呢？

我們以前給同學(xué)們講解過，太陽在中緯度地區(qū)的視運動軌跡是東—南—西傾斜的半圓型軌跡。以北京地區(qū)（北緯40°）為例，春、夏、秋、冬各季節(jié)太陽軌跡變化見圖1。

陽光照射的角度對我們的生活有重要影響

圖1 北京地區(qū)春夏秋冬各季節(jié)太陽視運動軌跡圖

從圖1中，我們分析北半球中緯度地區(qū)（例如北京）太陽運動軌跡的規(guī)律如下：

1. 夏季太陽運行軌跡大半圈在地面以上，小半圈在地面以下，冬季相反。

2. 太陽相對于地平面的照射，夏季近于直射且照射時間長，冬季偏于斜射且照射時間短，所以室外的溫度是夏熱冬冷。

◎夏季日出很早（約早4點）且在東北升起，日落很晚（約晚8點）且在西北落下，中午太陽在南邊較高的位置，例如北京地區(qū)地理緯度約40°，夏至?xí)r正午太陽高度達到最高點：90°—40°+23°.5=73°.5。

◎冬季日出很晚（約早8點）且在東南升起，日落很早（約晚4點）且在西南落下，中午太陽在南邊較低的位置，例如北京地區(qū)地理緯度約40°，冬至?xí)r正午太陽高度達到最低點：90°—40°—23°.5=26°.5。

不過對于垂直于地面的物體（例如窗戶、墻壁、船幫、人體等），就要具體分析了。例如一面垂直地面的窗戶，所射入的陽光，就需要看其朝向啦！

1. 先看看夏季的情況：

◎夏季日照到東窗從早4點到中午12點（約8小時），陽光入射的方向來自側(cè)面（東北方向），到正面（正東方向），再到側(cè)面（東南方向），大部分時間太陽在比較低的位置。因此，陽光與窗面垂直度較大，從東窗射入的陽光通量較大，如果是密閉的房間溫度會比較高。

◎夏季日照到南窗從上午8點左右到下午4點左右（約8小時），陽光入射的方向來自側(cè)面（東南方向），到正面（正南方向），再到側(cè)面（西南方向），大部分時間太陽在較高的位置。因此，陽光與窗面垂直度較小，所以從南窗射入的光通量相對較少，如果是密閉的房間溫度會比較低。

◎夏季日照到西窗（與東窗對稱、類似）從中午12點到晚上8點左右（約8小時），陽光入射的方向來自側(cè)面（西南方向），到正面（正西方向），再到側(cè)面（西北方向），大部分時間太陽在比較低的位置。因此，陽光與窗面垂直度較大，從西窗射入的陽光與東窗相仿，也是通量較大，如果是密閉的房間溫度會比較高。

圖2 北半球中緯度地區(qū)，夏季東、西向房間的太陽輻射強度大于南向

分析結(jié)果，東、南、西三面窗，在夏季所受日照時間基本一樣長，入射的方向也差不多都是側(cè)面—正面—側(cè)面。但東、西窗進入的太陽光相對窗戶比較垂直（因為太陽在較低處運行），進入房間的陽光通量較大（參考圖2），而南窗進入的太陽光相對窗戶比較平行（因為太陽在較高處運行），進入房間的陽光通量較?。▍⒖紙D2）。

所以北半球中緯度地區(qū)，夏季東、西向房間的太陽輻射強度大于南向。

2. 再看看冬季的情況：

◎冬季日照到東窗從早8點到中午12點（約4小時），陽光入射的方向來自側(cè)面（東南方向），大部分時間太陽在比較低的位置，但因為都是側(cè)面入射，與窗戶不垂直，所以從東窗射入的陽光通量較小。如果是密閉的房間溫度會比較低。

◎冬季日照到南窗從上午8點左右到下午4點左右（約8小時），陽光入射的方向來自側(cè)面（東南方向），到正面（正南方向），再到側(cè)面（西南方向），大部分時間太陽都在較低的位置。因此，陽光與窗面垂直度較大，從南窗射入的光通量相對較多，如果是密閉的房間溫度會比較高。

◎冬季日照到西窗（與東窗類似）從中午12點到晚上4點左右（約4小時），但因為都是側(cè)面入射，與窗戶不垂直，所以從西窗射入的陽光通量較小，如果是密閉的房間溫度會比較低。

通過以上分析，說明東、南、西三面窗，在冬季所受日照時間不一樣長，入射的方向也不相同。東、西窗射入的太陽光相對窗戶比較平行（因為太陽從側(cè)面斜射進入），因此進入房間的陽光通量較小（參考圖3），而南窗射入的太陽光相對窗戶比較垂直（因為太陽在較低處運行，而且大半時間是正面直射），進入房間的陽光通量較大（見圖3）。

所以，在北半球中緯度地區(qū)，冬季東、西向房間的太陽輻射強度小于南向。

圖3 北半球中緯度地區(qū)，冬季東、西向房間的太陽輻射強度小于南向

通過以上分析，我們就知道了為什么南向的房間會冬暖夏涼，而東、西向的房間相比南向的房間則冬冷夏熱。

現(xiàn)在有很多同學(xué)去過南北極考察，在極地生活也會遇到同樣的問題。比如在極地的夏季，太陽一直在距地面20多度的高度上水平旋轉(zhuǎn)（在極點夏至?xí)r太陽最高距地面23.5°）。太陽對于地面的照射雖然全天都有，屬于斜射，所以地面環(huán)境溫度并不算高。對于垂直于地面的物體，例如墻壁、窗戶、人體而言，就是近乎直射，所以會在局部產(chǎn)生很高的熱量，甚至灼傷。

例如夏季在極地的野外，人們雖然身穿羽絨服，依然感覺很冷，陽光曬到臉上或裸露的皮膚上基本沒有烤和熱的感覺，但卻能在很短的時間里發(fā)紅、變黑、有灼傷感。居住在極地地區(qū)的漁民也有常識，他們自制的木質(zhì)漁船是用膠粘合的，船幫接縫處的膠在夏季經(jīng)常會被烤化。他們的木屋墻壁涂的油漆在夏季也經(jīng)常被烤化。所以，我們?nèi)绻跇O地居住，搭建一所密閉、圓柱形、垂直面透光的玻璃房，應(yīng)該是比較合理的選擇。

最后，給同學(xué)們留下一個思考的問題：你能設(shè)計一個在某地鋪設(shè)太陽能電池板的方案嗎？

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