趙小瑞陳 杰向梨麗

（1. 北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院, 北京 海淀 100875; 2. 成都市新都一中, 四川 成都 610500）

太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)軌跡圖的繪制方法

趙小瑞1陳 杰1向梨麗2

（1. 北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院, 北京 海淀 100875; 2. 成都市新都一中, 四川 成都 610500）

一、太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)形成的原理

由于地球繞地軸自西向東旋轉(zhuǎn)而使得地球上的人觀測(cè)到太陽(yáng)有“東升西落”的現(xiàn)象，這是我們通常所理解的太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)。我們可以利用地心天球（見圖1）來(lái)得到太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)形成的原理。

圖1 地心天球

1.地心天球

所謂地心天球是指以地心為球心，以任意遠(yuǎn)為半徑的一個(gè)假想球體。

地軸無(wú)限延長(zhǎng)即為天軸，它與天球有兩個(gè)交點(diǎn)，北端的交點(diǎn)叫天北極，南端的交點(diǎn)叫天南極。

我們把赤道平面無(wú)限擴(kuò)大，它會(huì)與天球相割而形成一個(gè)大圓，我們稱之為天赤道，它將天球分為南北兩個(gè)半球，兩極即為天北極和天南極。天球上和天赤道平行的所有圓叫做赤緯圈，天赤道以北為正值，以南為負(fù)值。天赤道為0°赤緯圈；在天球北半球找出所有與地心連線和天赤道所在平面所構(gòu)成的線面角為23.5°的點(diǎn)，它們的連線所成的圓即為23.5°赤緯圈，在天球南半球找出所有與地心連線和天赤道所在平面所構(gòu)成的線面角為23.5°的點(diǎn)，它們的連線所成的圓即為-23.5°赤緯圈。

2.太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)的方向與軌跡

因?yàn)榈厍蜃晕飨驏|繞地軸旋轉(zhuǎn)，相應(yīng)的太陽(yáng)在地心天球中繞天軸做自東向西的運(yùn)動(dòng)，其周日運(yùn)動(dòng)軌跡恰與其所在赤緯圈重合，形成一個(gè)圓圈，我們稱為周日圈。

一年之中，太陽(yáng)直射點(diǎn)在地球上的位置不是固定的，而是在南北緯23.5°之間（包括南北緯23.5°）做回歸運(yùn)動(dòng)。從而，一年之中太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)軌跡就應(yīng)為23.5°赤緯圈與-23.5°赤緯圈之間的所有赤緯圈（包括23.5°赤緯圈和-23.5°赤緯圈）。其中23.5°赤緯圈為北半球夏至日時(shí)太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)軌跡，-23.5°赤緯圈為北半球冬至日太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)軌跡，0°赤緯圈為春秋分太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)軌跡。

我們掌握了太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)的形成原理，下一步就可以繪制各地的太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)軌跡圖了。

二、繪制某地太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)軌跡圖的方法

一地的太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)軌跡，是以該地為中心觀測(cè)到的太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)路線，日出為起點(diǎn)，日落為終點(diǎn)。日出指太陽(yáng)初升出地平圈的時(shí)刻，日落指太陽(yáng)完全沒入地平圈以下的那一時(shí)刻。如果我們要畫出某地太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)軌跡就必須先找到這兩個(gè)點(diǎn)。在地心天球中，我們只要畫出該地地平圈，它與當(dāng)日周日圈的兩個(gè)交點(diǎn)就是日出點(diǎn)和日落點(diǎn)，地平圈以上的周日圈即為當(dāng)?shù)刂苋者\(yùn)動(dòng)軌跡。我們以北緯10°某地為例進(jìn)行繪制，具體步驟如下。

1.繪制當(dāng)?shù)劂U垂線

當(dāng)?shù)劂U垂線即為當(dāng)?shù)嘏c地心的連線，無(wú)限延長(zhǎng)與天球有兩個(gè)交點(diǎn)，叫做天頂和天底（見圖2）。

圖2

2.繪制地平圈并確定方位

地平圈是通過(guò)地心，且垂直于當(dāng)?shù)劂U垂線的平面的無(wú)限擴(kuò)大，同天球相割而成的天球大圓。地平圈將天球分為可見和不可見兩個(gè)部分，兩極為天頂和天底，天頂是位于可見部分的極點(diǎn)，天底是位于不可見部分的極點(diǎn)。通過(guò)繪制北緯10°某地地平圈我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，地平圈與天赤道所在平面夾角與當(dāng)?shù)氐乩砭暥然ビ?，天頂天底連線和天赤道的夾角等于當(dāng)?shù)鼐暥龋ㄒ妶D3）。

圖3

地平圈與天赤道的兩個(gè)交點(diǎn)是東點(diǎn)和西點(diǎn)。地平圈對(duì)于天赤道的兩個(gè)遠(yuǎn)距點(diǎn)（與交點(diǎn)間隔90°的點(diǎn)）是南點(diǎn)和北點(diǎn)，靠近天北極的為北點(diǎn)，靠近天南極的為南點(diǎn)。它們分別是東方、西方、南方和北方的標(biāo)志（見圖3）。

3.確定太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)軌跡

地平圈與當(dāng)日周日圈有兩個(gè)交點(diǎn)，距東點(diǎn)最近的交點(diǎn)為日出點(diǎn)，距西點(diǎn)最近的交點(diǎn)為日落點(diǎn)。周日圈中距天頂最近的點(diǎn)為當(dāng)?shù)卣缣?yáng)所在位置。這三點(diǎn)所構(gòu)成的圓弧即為當(dāng)?shù)乜梢娞?yáng)周日運(yùn)動(dòng)軌跡（見圖3）。到此，只要旋轉(zhuǎn)圖3得到圖4，再擦除地平圈以下部分就可得到常見的太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)軌跡圖（見圖5）。

圖4

圖5

三、快速繪制不同地區(qū)太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)軌跡圖的方法

如果掌握了太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)的原理，我們不難發(fā)現(xiàn)，想要繪制出某地太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)軌跡圖，只需畫出當(dāng)?shù)靥斐嗟兰纯桑斐嗟罏楫?dāng)?shù)卮呵锓謺r(shí)太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)軌跡，其他時(shí)間所有太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)軌跡都與之平行，最南最北分別到達(dá)±23.5°赤緯圈。而天赤道與當(dāng)?shù)氐仄饺A角剛好與當(dāng)?shù)氐乩砭暥然ビ?。以赤道、南?0°、北緯70°某地為例，我們分別繪制各地二分二至日太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡圖。

1. 繪制當(dāng)?shù)氐仄饺涂梢娞烨?，并確定地平圈上方位和天頂位置（見圖6）。

2. 繪制出當(dāng)?shù)靥斐嗟?，天赤道與地平圈夾角與當(dāng)?shù)氐乩砭暥然ビ?。因?yàn)槟习肭蛭挥谔斐嗟酪阅?，所以其天頂在天赤道以南；同理，北半球某地天頂位于天赤道以北，赤道上某地天頂位于天赤道上（見圖7）。

3. 二分二至日太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)軌跡分別與天赤道、23.5°赤緯圈和-23.5°赤緯圈重合，所以在圖中繪制23.5°赤緯圈和-23.5°赤緯圈即可得到當(dāng)?shù)囟侄寥仗?yáng)周日運(yùn)動(dòng)軌跡圖（見圖8）。

圖6

圖7

圖8

掌握太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)對(duì)解決日出日落方位及其變化規(guī)律、日影長(zhǎng)短及朝向變化規(guī)律、晝夜長(zhǎng)短及其變化規(guī)律和正午太陽(yáng)高度及其變化規(guī)律等問題有重要意義。本文以太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)形成原理為基礎(chǔ)，詳細(xì)講解繪制了太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)軌跡圖的方法，不僅可以從根本上幫助我們理解太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)，而且對(duì)于更好地認(rèn)識(shí)和掌握與太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)相關(guān)的自然現(xiàn)象與規(guī)律具有重要的意義。在教學(xué)實(shí)踐中，教師真正需要掌握的不單單是簡(jiǎn)單地判讀太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)軌跡圖的方法，更重要的是太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)的原理，以及利用這一原理繪制太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)軌跡圖的技能，這樣才更有助于幫助學(xué)生解決相關(guān)問題。

[1] 金祖孟,陳自悟.地球概論[M].北京:高等教育出版社,1997.