太陽方位的時(shí)間變化與氣候變化

太陽方位的時(shí)間變化與氣候變化

在課堂上，作者經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，許多學(xué)生誤解了這條路，因?yàn)樗磕甓际窍嗤臇|西方向。一些學(xué)生認(rèn)為，日照時(shí)間的位置與太陽直射點(diǎn)的緯度有關(guān)。由于太陽是一組平行線，因此東方和西方的日照時(shí)間、長度和傾角角度的平均值與太陽直射點(diǎn)的緯度相同。甚至部分地理教師也有類似的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。下面我從地球上看太陽升落的視運(yùn)動(dòng)圖開始來談?wù)勎覍?duì)日出、日落時(shí)太陽方位的一些粗淺認(rèn)識(shí)，力求把問題表述清楚，不當(dāng)之處，敬請(qǐng)讀者指正。一、太陽在游樂園的周年和周日的視覺運(yùn)動(dòng)1太陽赤緯變化的方位地球繞太陽的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使我們地球上的觀察者在不同的日子里看到太陽在天球上的位置不同（本文中以赤經(jīng)、赤緯表示）。太陽的赤經(jīng)變化對(duì)日出、日落的方位沒有影響，有影響的是太陽的赤緯的變化。太陽的赤緯變化幅度是由黃赤交角決定的，在任何時(shí)候，太陽赤緯總是等于當(dāng)時(shí)的太陽直射點(diǎn)的緯度。嚴(yán)格來講，在地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)的不同時(shí)刻，太陽的赤緯都是不同的，比如，在春秋分（本文中節(jié)氣均指北半球）前后大約每分鐘增減1″，據(jù)此算來，在一天中太陽赤緯的變化幅度大約是24′，不到半度，而且越靠近冬夏至，變化幅度越小。因此，本文中粗略地認(rèn)為，在同一天太陽的赤緯基本不變。（如圖1）。2太陽日視運(yùn)動(dòng)軌跡由于地球始終自西向東自轉(zhuǎn)，所以觀察者看到的太陽每天總是從東方地平線上升起（即日出）、西方地平線上落下（即日落），在天球上作周日運(yùn)動(dòng)。太陽在天球上的周日視運(yùn)動(dòng)軌跡始終為一個(gè)圓，叫周日圈。太陽的周日圈被地平圈分成兩段弧，一段位于地平圈之上，是觀察者所看到的太陽在天空中的運(yùn)動(dòng)軌跡，稱為晝??；另一段位于地平圈之下，是觀察者看不到的太陽運(yùn)動(dòng)軌跡，稱為夜弧。圖2為南通夏至日的太陽周日視運(yùn)動(dòng)軌跡。由于在同一天太陽的赤緯基本不變，所以可以說，太陽的周日視運(yùn)動(dòng)軌跡平面（周日圈平面）實(shí)際上就是當(dāng)天太陽的赤緯所在的平面，也就是地球上太陽直射點(diǎn)所在的緯線平面。太陽的周日視運(yùn)動(dòng)軌跡平面與天赤道平面始終保持平行，與天軸（實(shí)際上也與地軸）始終保持垂直。二、太陽日的視運(yùn)動(dòng)1太陽日視運(yùn)動(dòng)軌跡太陽的周日視運(yùn)動(dòng)是地球自轉(zhuǎn)的反映，對(duì)于地球上不同緯度的觀察者來講，每天看到的太陽周日視運(yùn)動(dòng)軌跡不同，這與他們的地平圈平面密切相關(guān)。我以赤道及北半球不同緯度的觀察者的太陽周日視運(yùn)動(dòng)軌跡圖來加以說明，見圖3、圖4、圖5、圖6（南半球情況與此相似）。(1）天東北部和地平圈的正北方向當(dāng)觀察者位于赤道上時(shí)，其對(duì)應(yīng)的地平圈為過天南極、天北極的一個(gè)圓，且天北極和地平圈的正北方向重合，天南極和地平圈的正南方向重合，天赤道與地平圈的兩交點(diǎn)為正東、正西方向。任意一天的太陽周日視運(yùn)動(dòng)圈都與地平圈垂直且被地平圈平分。(2）子古代地理緯度當(dāng)觀察者位于北半球中緯度某地時(shí)，其對(duì)應(yīng)的地平圈與天軸的夾角（也就是當(dāng)?shù)氐摹把鰳O高度”）等于當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?，且子午線圈與地平圈的交點(diǎn)為正南、正北方向，天赤道與地平圈的兩交點(diǎn)為正東、正西方向。任意一天的太陽周日圈都與地平圈斜交，斜交角度為地理緯度的余角。(3）當(dāng)?shù)氐摹把鰳O高度”當(dāng)觀察者位于北極圈上時(shí)，其對(duì)應(yīng)的地平圈與天軸的夾角（也就是當(dāng)?shù)氐摹把鰳O高度”）等于66°34′，且子午線圈與地平圈的交點(diǎn)為正南、正北方向，天赤道與地平圈的兩交點(diǎn)為正東、正西方向。任意一天的太陽周日圈都與地平圈斜交，斜交角度為23°26′。(4）北極點(diǎn)與天東北部的地平圈位置北極點(diǎn)是地球上的最北點(diǎn)，因其用格林尼治時(shí)間，當(dāng)太陽運(yùn)行到180°經(jīng)線上中天時(shí)定為南方，到本初子午線上中天時(shí)定為北方。當(dāng)觀察者位于北極點(diǎn)時(shí)，其對(duì)應(yīng)的地平圈與天赤道重合，天北極即是天頂、天南極即是天底。任意一天的太陽周日圈都與地平圈平行。觀察圖3、圖4、圖5和圖6四幅圖，可以發(fā)現(xiàn)，太陽周日圈都與地平圈間的夾角，即為觀察地點(diǎn)地理緯度的余角。隨著觀察地點(diǎn)從赤道到北極點(diǎn)緯度逐漸變大，天赤道和地平圈之間的空間位置關(guān)系由相互垂直逐漸演變?yōu)橄嗷ブ睾稀?太陽射線南北移動(dòng)由于地球圍繞太陽的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了太陽周日視運(yùn)動(dòng)的季節(jié)變化。由圖3、圖4、圖5和圖6可知，隨著太陽直射點(diǎn)的南北移動(dòng)，太陽周日視運(yùn)動(dòng)軌跡也出現(xiàn)了南北移動(dòng)，夏至日位置最偏北，隨后逐漸往南移動(dòng)，冬至日移動(dòng)到最南，然后再返回向北移動(dòng)。太陽周日視運(yùn)動(dòng)軌跡與地平圈的交點(diǎn)（即日出點(diǎn)和日落點(diǎn)）的位置也相應(yīng)的發(fā)生改變。三、長度和長度的規(guī)律1四立季節(jié)偏角和私家車從前文圖中可以看出，同一緯度地區(qū)日出、日落方位存在明顯的隨時(shí)間變化現(xiàn)象。日出、日落方位的偏角可根據(jù)公式來進(jìn)行計(jì)算。式中A為日出、日落方位的偏角，其中偏北為正、偏南為負(fù)；為太陽直射點(diǎn)緯度，北半球?yàn)檎?、南半球?yàn)樨?fù)；為地理緯度，北半球?yàn)檎⒛习肭驗(yàn)樨?fù)。表1為根據(jù)上述公式計(jì)算的南通市（32°N）二分二至日和四立節(jié)氣日出點(diǎn)和日落點(diǎn)的偏角值。從表中可以看出，南通一年中日出、日落方位的變化呈現(xiàn)如下規(guī)律：二分日日出正東、日落正西；從春分到夏至，偏北且偏角漸大；從夏至到秋分，偏北且偏角漸小；從秋分到冬至，偏南且偏角漸大；從冬至到次年春分，偏南且偏角漸小。2極夜地區(qū)太陽在春分日和秋分日，全球各地（南北極點(diǎn)除外）太陽均從正東方升起，正西方落下；在北半球夏半年（從春分日到秋分日），全球各地（極晝極夜地區(qū)除外）太陽均從東偏北方向升起，西偏北方向落下；在北半球冬半年（從秋分日到次年春分日），全球各地（極晝極夜地區(qū)除外）太陽均從東偏南方向升起，西偏南方向落下。表2為根據(jù)上述公式計(jì)算的北半球各緯度二至日日出點(diǎn)和日落點(diǎn)的偏角值（南半球與此相同）。從表中可以很清楚地看出：同一日期，不同緯度地區(qū)日出、日落方位的偏角是不一樣的，緯度越高，日出、日落方位的偏角就越大。3太陽化的地面和晚月(1）赤道上：當(dāng)太陽直射赤道時(shí)日出正東、日落正西；太陽直射北半球期間每天都日出東北、日落西北，且太陽直射點(diǎn)越靠北，日出、日落的方位越偏北，夏至日時(shí)日出、日落方位偏離正東、正西方向達(dá)到最大值，偏移角度為23°26′；太陽直射南半球期間每天都日出東南、日落西南，且太陽直射點(diǎn)越靠南，日出、日落的方位越偏南，冬至日時(shí)日出、日落方位偏離正東、正西方向達(dá)到最大值，偏移角度為23°26′。(2）北半球中緯度地區(qū)：當(dāng)太陽直射赤道時(shí)日出正東、日落正西；太陽直射北半球期間每天都日出東北、日落西北，且太陽直射點(diǎn)越靠北，日出、日落的方位越偏北，夏至日時(shí)日出、日落方位偏離正東、正西方向達(dá)到最大值；太陽直射南半球期間每天都日出東南、日落西南，而且太陽直射點(diǎn)越靠南，日出、日落的方位越偏南，冬至日時(shí)日出、日落方位偏離正東、正西方向達(dá)到最大值。(3）北極圈上：當(dāng)太陽直射赤道時(shí)日出正東、日落正西；太陽直射北半球期間每天都日出東北、日落西北，而且太陽直射點(diǎn)越靠北，日出、日落的方位越偏北，夏至日時(shí)出現(xiàn)極晝現(xiàn)象，日出、日落方位偏離正東、正西方向達(dá)到最大值，日出正北、日落正北；太陽直射南半球期間每天都日出東南、日落西南，而且太陽直射點(diǎn)越靠南，日出、日落的方位越偏南，冬至日時(shí)出現(xiàn)極夜現(xiàn)象，沒有日出、日落。(4）北極點(diǎn)上：當(dāng)太陽直射赤道時(shí)太陽終日在地平圈上運(yùn)動(dòng)；太陽直射北半球期間，北極點(diǎn)處于極晝，太陽終日與地平圈平行運(yùn)動(dòng)，太陽直射點(diǎn)越靠北，太陽運(yùn)行的高度越高，因其用格林尼治時(shí)間，因而可以說是日出正北、日落正北；太陽直射南半球期間北極點(diǎn)處于極夜，沒有日出、日落。南半球情況與此類似，不再贅述。四、正東、雙偏角的認(rèn)定1．《地理教學(xué)》雜志2009年第11期《赤道地區(qū)日出日落時(shí)的太陽方位》一文認(rèn)為，在赤道地區(qū)，太陽周日視運(yùn)動(dòng)應(yīng)如圖7所示，全年東升西落。如果赤道地區(qū)太陽周日視運(yùn)動(dòng)果真如此，那么我們還可以推測(cè)太陽在地平線以下部分的運(yùn)動(dòng)應(yīng)該如圖8所示，由此可以看出在夏至日正午的時(shí)候太陽的赤緯為23°26′，子夜的時(shí)候太陽的赤緯卻為-23°26′；冬至日正午的時(shí)候太陽的赤緯為-23°26′，子夜的時(shí)候太陽的赤緯卻為23°26′。在一個(gè)晝夜的時(shí)間里，太陽在天赤道兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，赤緯變化最大可達(dá)到46°52′，這可能嗎？而且，除二分日外，其他日期的太陽視運(yùn)動(dòng)平面度不與天軸垂直了。因此，認(rèn)為在赤道地區(qū)太陽周日視運(yùn)動(dòng)應(yīng)如圖7所示是錯(cuò)誤的。2．《地理教學(xué)》雜志2010第1期《也談日出日落時(shí)的方位》一文中，作者認(rèn)為判斷日出、日落時(shí)太陽方位的依據(jù)是看太陽光是否與緯線平行，若平行則日出正東、日落正西，若不平行就應(yīng)該是其他方向。按其文意來看，作者這里所說的緯線實(shí)際上是指地球的緯線圈平面。作者認(rèn)為赤道地區(qū)太陽周日視運(yùn)動(dòng)圈與地平圈垂直，太陽始終直升直落（如圖3所示）。但他卻由此得出這樣的結(jié)論：日出日落時(shí)太陽光線與地球上的緯線始終是平行的，因此始終是正東出、正西落。這明顯是錯(cuò)誤的。從圖3可以很清楚地看出，一年中僅有春分日和秋分日這兩天才是日出正東、日落正西的。3．《中學(xué)文科：教研論壇》2006年第6期《太陽周日視運(yùn)動(dòng)圖析》一文認(rèn)為日出、日落方位與正東