题目

一天中太阳的位置变化

提问时间：2020-11-10

答案

由于黄赤交角的存在,使天球上的太阳不断相对于天赤道作回归运动,其真接结果是造成太阳赤纬（即δ）的周年变化（表现在地面上便是太阳直射点的南北移动）,进而导致太阳周日圈反复地北进南退,伴随这种北进南退,地面观察者眼中太阳的升落方位亦出现有规律的变化.
太阳升落方位的变化规律可以从以下几个方面来考察：
1.随纬度的变化规律：这种规律可以概括为一句话即：太阳赤纬不为零时,纬度越高（不管南北纬）,太阳升落的方位角（以东点、西点为起点,在地平圈上度量,偏北为正,偏南为负,用符号A表示）越大,而且太阳赤纬为正（负）即太阳直射在北（南）半球时,方位角为正（负）,亦即太阳升落方位偏北（南）.根据纬度的差异又可分为以下六种情况：
（1）在赤道上看：由于太阳周日圈与地平圈直交,故一年四季太阳都是垂直地升起而又垂直地落下,且太阳赤纬是多少度,太阳升落方位便是多少度,即δ=A.例如：每年11月7日,太阳赤纬约为－16°19′即太阳直射南纬16°19′,此日的太阳升落方位亦为－16°19′,即在赤道上看11月7日这天太阳是从正东偏南16°19′处升起,在正西偏南16°19′处下落.
(2)在开始出现极昼的纬度上看：由于太阳周日圈最低点与地平圈相切,故太阳升落方位最大为90°即与北点或南点重合.例如：6月22日北极圈上开始出现极昼,太阳周日圈全部在地平圈以上,其最低点恰与北点相切,故这天在北极圈上看太阳,是从正东偏北90°即正北方位开始升起,而在正西偏北90°即正北方位下落到最低点,换句话说就是6月22日在北极圈上看太阳升落方位为+90°.
（3）在开始出现极昼的纬度到极点之间看：由于太阳周日圈全部位于地平圈以上而且是倾斜的,故一天中太阳高度仍有变化,太阳开始升起和下落到的最低点方位角均为90°即太阳升落方位亦与北点或南点重合.例如：6月22日在70°N处看太阳,一天中太阳总在地平以上转圈,只在半夜时下落到最低点,此时太阳位于正北方天空,方位角为+90°.
（4）极昼期间在极点上看：由于太阳周日圈始终平行于地平圈,故一天中的太阳高度没有变化,始终等于该日太阳赤纬,太阳只有方位变化而无所谓升落,因而不存在升落方位问题.例如：12月22日在南极点上看,太阳周日圈始终高出地平23°26′,且只有方位变化（每日一周）而无所谓升落,故不存在升落方位问题.
（5）在开始出现极夜的纬度上看：由于太阳周日圈最高点与地平圈相切,故太阳只在正午时在方位为900的一点出现,但刚一露脸即已下落.如8月7日太阳赤纬为+16°19′即太阳直射北纬16°19′,该日南纬73°41′的地方出现极夜,这天太阳只在正午时在方位为90°的一点即正北方露一下脸.
（6）在赤道与极昼极夜出现的纬度之间看：由于太阳周日圈与地平圈斜交,且纬度越高,两者之间的夹角越小,故太阳升落的方位角也就越大,而且普遍地A>δ.方位角的大小可用球面三角正弦公式求得：sinA=sinδ/cosψ( 式中A为方位角,δ为太阳赤纬,ψ为当地纬度 ).例如：12月22日太阳赤纬为－23°26′,赤道上方位为－23°26′,南北回归线上为－25°41′,南北纬45°为－34°13′,极圈上为－90°.
2.随季节的变化规律：这种规律也可以概括为一句话即：太阳赤纬值越大（小）,方位角越大（小）,而且赤纬为正（负）方位为正（负）即太阳升落方位偏北（南）.例如：
（1）每年的3月21日与9月23日即二分日：太阳赤纬为0°即太阳直射赤道,太阳周日圈与天赤道重合.由于天赤道在当地天空中的位置乃东点、西点、Q点（又称上点,其位置在赤道上与当地天顶重合,北半球在天顶正南相当当地纬度的一点,南半球在当地天顶正北相当当地纬度的一点）的连线,故全球各纬度看太阳都是从正东方位升起,在正西方位下落,其中正午时的太阳位置在赤道上位于天顶,北（南）半球位于天顶以南（北）相当当地纬度的一点.
（2）每年的6月22日与12月22日即二至日：6月22日太阳赤纬为+23°26′,达一年中最大值,各纬度方位角皆为正（北偏）且亦达一年中最大值；12月22日太阳赤纬为－23°26′,绝对值亦达到一年中最大值,故各纬度方位角皆为负（南偏）且亦达到最大值.
（3）夏半年与冬半年的情况是：3月21日以后到9月23日以前太阳直射点在北半球,太阳赤纬为正,各地方位角均为正,这段时间内太阳升落方位均偏北即从东偏北方向升起在西偏北方向落下；9月23日以后到次年3月21日以前,太阳赤纬为负,直射点在南半球,各地方位角均为负,这段时间内太阳升落方位均偏南即从东偏南的方向升起在西偏南方向落下.
（4）据太阳赤纬随季节的变化情况可知：6月22日以后到12月22日,太阳周日圈不断南退,太阳赤纬由+23°26′逐渐变化为-23°26′,太阳升落方位在各纬度都将是由最偏北逐渐过渡为最偏南；12月22日以后到次年6月22日,太阳周日圈不断北进,太阳赤纬由－23°26′逐渐变化为－23°26′,这期间太阳升落方位在各纬度亦由最偏南逐渐过渡为最偏北.
3.南北半球比较也有几条规律可循：
（1）太阳升落方位是偏北还是偏南在全球各纬度都是一致的,与所处哪个半球无关,所不同的仅是因为纬度不同偏北偏南的程度不同.原因是各纬度的东点与西点是共同的,都是当地地平圈与天赤道的两个交点.例如：12月22日,全球各纬度看太阳升落方位都是偏南,北半球是如此,南半球亦是如此,所不同的只是因为各地纬度不同看到太阳升落方位偏南的程度不同,在赤道上为-23°26′,15°N、S处为 -24°18′,23°26′N、S处为－25°41′,45°N、S处为-34°13′,66°34′N、S处为－90°.
（2）南北半球纬度相同的地方,同一日期的太阳升落方位亦相同,但昼夜长短状况刚好相反.例如：6月22日,15°N、S处看太阳升落方位都是+24°18′即从东偏北24°18′处升起,在西偏北24°18′处下落,但在15°N看太阳周日圈向南倾斜,地平以上部分大于地平以下部分,昼夜长短状况表现为昼长夜短,而在15°S处看则太阳周日圈向北倾斜,地平以上部分小于地平以下部分,昼夜长短状况表现为昼短夜长.
（3）不管哪个半球,只要太阳赤纬值的绝对值相同,则同一纬度上看太阳升落方位的绝对值亦相同,但表现在昼夜长短状况上则可能有昼长和夜长两种情况.例如：太阳赤纬值的绝对值均为23°26′,在45°N处各地看太阳升落方位的绝对值均为34°13′,但这可能有以下二种情况：一是太阳赤纬值为+23°26′,此时太阳是从东偏北34°13′处升起在西偏北34°13′处下落,昼夜长短状况表现为昼长夜短；二是太阳赤纬值为－23°26′,此时太阳是从东偏南34°13′处升起在西偏南34°13′处下落,昼夜长短状况表现为昼短夜长.
总之,太阳升落方位不是固定不变的,它因纬度而不同,随季节而变化,它是太阳回归运动在地面上的反映.只要掌握了太阳回归运动或太阳直射点在地面上的移动规律,太阳升落方位的变化规律便可迎刃而解.只是要注意：除赤道外,太阳周日圈与地平圈并不垂直相交,因而只有在赤道上A=δ,而在其它纬度上都是A>δ；极夜期间不存在太阳升落亦无所谓太阳升落方位；极昼期间（除极点外）太阳升落方位均为90°,只有极点上太阳周日圈平行于地平圈,太阳高度始终等于太阳赤纬,不存在太阳升落方位问题.