解读太阳周日视运动轨迹图

宁夏固原市第二中学（756000） 金卫东

解读太阳周日视运动轨迹图

宁夏固原市第二中学（756000） 金卫东

由于地球自西向东自转，太阳大致东升西落。太阳周日视运动，就是太阳以地球自转的相反方向，绕地轴并随着天球（以观察者为球心，以无限远为半径的球面，由于人的视角对远近的分辨能力有限，看起来好像天体都投影在同一个球面上，即天球上）旋转，以一个太阳日为周期自东向西运动。太阳东升西落运动在天球上形成的轨迹就是太阳周日视运动轨迹。通过太阳周日视运动轨迹图能直观形象地反映出地表任何地点任意一天内的正午太阳高度、昼夜长短、日出日落方位以及它们随季节的变化。太阳周日视运动轨迹图课本上没有涉及，但高考要求学生掌握，因此，这往往成为学生学习的薄弱点，也成为教师教学的难点。笔者想通过图解的办法帮助读者理解和应用太阳周日视运动轨迹图。

一、太阳周日视运动轨迹图的特征

图1 40°N某地太阳周日视运动轨迹

如图1，太阳周日视运动轨迹图是以观测者（O点）为球心，以无限远为半径绘制的球面（图中只画出了地平面以上的部分），过O点垂直向上与天球的交点为天顶；过O点做地球的切面，即地平面，地平面与天球的交线为地平圈；在地平圈上标出了地平方位（前面是南，后面是北，左边是东，右边是西）。由于太阳周日视运动轨迹是地球绕地轴自西向东自转造成的，所以任何地方在任意一天的太阳周日视运动轨迹都是平行于赤道平面的圆，图1中40°N某地在二分日和二至日的太阳周日视运动轨迹都是互相平行的；太阳周日视运动是地球自转的相反运动（大致东升西落），所以太阳周日视运动方向是自东向西。

二分日太阳从正东升起，从正西落下（见图1中的二分日）；春分日到秋分日，太阳直射北半球，太阳从东北升起从西北落下（见图1中的夏至日）；秋分日到次年春分日，太阳直射南半球，太阳从东南升起从西南落下（见图1中的冬至日）；图1中A、B、C三点为在二分二至日太阳上中天的时刻（太阳距地平面最高的时刻），即正午时刻，∠AOS、∠BOS、∠COS分别是40°N某地二分日、夏至日、冬至日的正午太阳高度。对40°N而言，一年中太阳直射点始终在它的南面，所以图1中A、B、C三点的投影点D、E、F都在观测点O点的正南方。以夏至日为例，由日出点H向西经过S点到日落点I之间的角度可以反映出40°N该日的昼长，另一部分为夜长。

二、不同纬度的太阳周日视运动轨迹图

虽然太阳周日视运动轨迹都与赤道平面平行，但不同纬度上的地平面与赤道平面的夹角不同（见图2中的不同纬度的地平面1、2、3、4），不同纬度的太阳周日视运动轨迹与地平面的关系不同，有的地方太阳周日视运动轨迹与地平面平行，有的垂直，有的倾斜。

图2 不同纬度的地平面

图3 赤道上二分二至日太阳周日视运动轨迹

图4 北极点极昼时的太阳周日视运动轨迹

图5 南极点极昼时的太阳周日视运动轨迹

图6 北半球与晨昏线相切并为极昼的纬线上的太阳周日视运动轨迹

图7 南半球与晨昏线相切并为极昼的纬线上的太阳周日视运动轨迹

图8 北半球与晨昏线相切的纬线圈以内的某纬线（处在极昼）上的太阳周日视运动轨迹

图9 南半球与晨昏线相切的纬线圈以内的某纬线（处在极昼）上的太阳周日视运动轨迹

图10 北回归线与北极圈之间某纬线上二分二至日的太阳周日视运动轨迹

图11 南回归线与南极圈之间某纬线上二分二至日的太阳周日视运动轨迹

图12 北回归线上二分二至日的太阳周日视运动轨迹

图13 10°N纬线上二分二至日的太阳周日视运动轨迹

图3、图10到图13中的1、2、3分别代表二分日、夏至日、冬至日的太阳周日视运动轨迹。

由图2得知，赤道上的地平面与赤道平面垂直，而太阳周日视运动轨迹与赤道平面平行，所以赤道上的太阳周日视运动轨迹与地平面垂直（见图3）。

地球自西向东自转，从北极上空看，地球自转为逆时针方向，太阳周日视运动为顺时针方向；从南极上空看，地球自转为顺时针，太阳周日视运动为逆时针。

两极的地平面与赤道平面平行，而太阳周日视运动轨迹与赤道平面平行，所以两极处在极昼期时太阳周日视运动轨迹与地平面平行（见图4、图5），站在北极点其他任何地方都在它的南面，北极的太阳周日视运动为顺时针方向；站在南极点其他任何地方都在它的北面，南极的太阳周日视运动轨迹为逆时针方向。两极点整天的太阳高度不变，都等于该日太阳直射点的纬度。

与晨昏线相切并处在极昼期的纬线上的太阳周日视运动轨迹与地平面相切，整个太阳视运动轨迹在地平面以上，北半球从切点升起，从切点落下，即太阳从地平面的正北落下的同时又从正北升起（见图6）；南半球太阳从地平面的正南落下的同时又从正南升起（见图7）。

北半球与晨昏线相切的纬线圈以内的某纬线（处在极昼）上的太阳周日视运动轨迹相对于地平面是倾斜的，因为是极昼，整个太阳周日视运动轨迹在地平面以上，而且整体高出地平面，其中最低点的太阳高度（见图8中∠AON）为该日与晨昏线相切的纬线圈（正好为极昼）以内的某纬线和该日与晨昏线相切的纬线的纬度差，例如某日太阳直射20°N，与晨昏线相切正好为极昼的纬线纬度为70°N，如果图8中绘制的是80°N纬线上某地的太阳周日视运动轨迹，那么∠AON＝80°-70°＝10°，而图8中太阳周日视运动轨迹距离地平面的最高点为该地当日的正午太阳高度（见图8中∠BOS），∠BOS的度数是可以用正午太阳高度公式计算出来的，∠BOS＝90°-（80°-20°）＝30°；南半球的同理（见图9）。

北回归线与北极圈之间某纬线上二分二至日的太阳周日视运动轨迹相对于地平面是倾斜的，因为在北回归线与北极圈之间太阳直射点始终位于其南面，所以太阳周日视运动轨迹中相对地平面的最高点（正午时刻）都投影在观测点的正南（见图10）；南回归线与南极圈之间地区都投影在观测点的正北（见图11）。

北回归线上的太阳周日视运动轨迹和北回归线与北极圈之间地区不同的是夏至日时太阳直射北回归线，北回归线上的正午太阳高度为90°，所以夏至日的太阳周日视运动轨迹经过天顶（见图12）；南回归线上冬至日的太阳周日视运动轨迹也经过天顶。

北回归线和南回归线之间一年有两次太阳直射的机会，以10°N纬线上的太阳周日视运动轨迹（见图13）为例，当太阳直射10°N纬线时，太阳从东北升起，从西北落下，正午太阳高度为90°，太阳周日视运动轨迹经过天顶（图13中的轨迹4）。

三、典型题析

图14为某地某日内太阳高度变化示意图，该日太阳高度最高时物影朝向正北，当该地一日内物体影子最短时，太阳直射点的地理坐标为＿＿。