高中地理浅谈太阳升落方位的变化规律

　　浅谈太阳升落方位的变化规律

　　内容提要：

　　太阳升落方位问题是《地球运动》教学中遇到的疑难问题，《地理教育》杂志曾连续刊发多篇文章对此进行讨论，本文系其中之一，刊发于93年第4期。本文从纬度、季节、南北半球比较三个方面考察太阳升落方位的变化规律，文字深入浅出，通俗易懂，适合于中学地理教师及高校地理系学生阅读，可供《地球概论》教学及《高中地理》教学参考。

　　关键词：

　　太阳升落方位(A) 太阳赤纬(δ) 纬度(ψ)

　　太阳周日圈 地平圈

　　正文：

　　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-16019′即太阳直射南纬16019′，此日的太阳升落方位亦为-16019′，即在赤道上看11月7日这天太阳是从正东偏南16019′处升起，在正西偏南16019′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900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900即正北方位开始升起，而在正西偏北900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+900。

　　（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900即太阳升落方位亦与北点或南点重合。例如：6月22日在700N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+900。

　　（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23026′，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+16019′即太阳直射北纬16019′，该日南纬73041′的地方出现极夜，这天太阳只在正午时在方位为900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-23026′，赤道上方位为-23026′，南北回归线上为-25041′，南北纬450为-34013′，极圈上为-900。

　　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00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+23026′，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-23026′，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+23026′逐渐变化为-23026′，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-23026′逐渐变化为-23026′，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-23026′，150N、S处为 -24018′，23026′N、S处为-25041′，450N、S处为-34013′，66034′N、S处为-900。

　　（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，150N、S处看太阳升落方位都是+24018′即从东偏北24018′处升起，在西偏北24018′处下落，但在150N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150S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23026′，在450N处各地看太阳升落方位的绝对值均为34013′，但这可能有以下二种情况：一是太阳赤纬值为+23026′，此时太阳是从东偏北34013′处升起在西偏北34013′处下落，昼夜长短状况表现为昼长夜短；二是太阳赤纬值为-23026′，此时太阳是从东偏南34013′处升起在西偏南34013′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900，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。

　　极昼期间太阳的周日运动

　　淄博师范学校 秦克铸

　　两极地区极昼期间一天24小时都能见到太阳，但太阳在天空中并不是不动的，而是随地球自转出现“周日视运动”。极昼期间太阳周日视运动(简称太阳周日运动)的基本表现可概括为如下几个特点：

　　1、极昼期间，太阳周日运动的路线是一个圆圈(简称周日圈)，圆心是天极——南北两极的天顶。通俗地说就是：一天中太阳永不下落，只是在天空中绕天极方向兜圈子。

　　2、极昼期间，太阳周日运动的方向仍是自东向西----与地球自转方向相反。换句话说就是：—天中不同时刻太阳在天空中的位置是不同的。在北极附近是：东(早晨)--南(正午)--西(傍晚)--北(子夜)--东(第二天早晨)；在南极附近是：东(早晨)--北(正午)--西(傍晚)--南(子夜)--东(第二天早晨)。

　　3、极昼期问，太阳周日运动的周期仍是24小时--一个太阳日（注意：太阳周日运动周期不是一个恒星日，因为太阳不但随天球进行周日运动，而且在天球上还有它自己的运动）。也可以说是每24小时太阳在天空中转一圈。

　　4、除极点外，太阳周日圈都是倾斜的，而且离开极点越远，周日圈越倾斜，在极昼开始出现的纬度上，周日圈的最低点与地平圈重合--此时太阳在地平线上。再往低纬，周日圈便与地平圈斜交--太阳有段时间在地平线以下，即不再有极昼。

　　5、倾斜的周日圈总有一个最高点，有一个最低点。就北极地区而言，太阳在正南方时(正午)达最高点，在正北方时(子夜)达最低点；南极地区正好相反。也可以理解为：极昼期间，除极点外，各个地方一天中的太阳高度是不同的--正午时最高，子夜时最低。就北极地区而言，太阳位于正南方时为正午，此时，太阳高度达一天中最高值；太阳位于正北方时为子夜，此时太阳高度达一天中最低值。南极地区正好相反，具体高度与纬度、日期两个因素有关。例如：6月22日这天，北极圈上某点，正午时太阳在正南方(位于周日圈最高点)，高度为46’52；子夜时太阳在正北方(位于周日圈最低点)，高度为0°。

　　6、太阳周日圈倾斜的程度，即周日圈最高点与最低点之间的差别，或者说一天中太阳高度的变化幅度主要与纬度、日期有关。就地区而言，总的规律是由极昼开始出现的纬度向极点方向递减。例如；6月22日，北极圈上正午时太阳高度为46°52′，子夜时为0°；北纬70°纬线上，正午时为43°26′，子夜时为3°26′；北纬80°纬线上，正午时为33°26′，子夜时为 i3°26′；北极点上，正午时为23°26′，子夜时为23°26′。就日期而言，总的规律是：春分至夏至渐大，夏至至秋分渐小。

　　7、在极点上看，太阳周日圈与地平圈总是平行的，即太阳周日圈各点高度相同，或者说一天中太阳高度没有变化，只是随时问变化在天空中的位置不同。极点上的太阳高度大小取决于直射点纬度，它们在数值上相等，即“太阳直射点纬度是多少度．极点上的太阳高度就是多少度”，因为：极点上的太阳高度＝90°一(90°一直射点纬度)=直射点纬度。例如：直射点在5°57′N时，北极点上的太阳高度亦为5°57′；直射点在23°26′N时，北极点上的太阳高度亦为23°26′，而且一天中没有变化。需要注意的是极点上：极点上的太阳高度虽一天中没有变化，但一年中却有变化，或着说，极点上周日圈的高度一天中可以认为没有变化，但一年中不同日期却不同，其基本规律是：春分至夏至渐高，夏至至秋分渐低。

　　8、极昼期间太阳周日圈最高点高度与最低点高度之和即一天中正午太阳高度与子夜太阳高度之和总是等于当日直射点纬度的2倍，也等于开始出现极昼现象纬度上的正午太阳高，还等于极点上太阳高度的2倍。例如6月22日，直射23°26′N，北极圈内各纬度正午、子夜太阳高度之和都等于46°52′；4月5日，太阳直射5°57′N，84°03′N到北极点出现极昼，其中各纬度正午、子夜太阳高度之和都等于11°54′。

　　极圈上只有一天极昼一天极夜吗

　　淄博师范学校 秦克铸

　　如果太阳只是一个发光的亮点，即不存在明显的视半径；如果地球上没有大气层，或者大气对阳光没有折射作用，亦即阳光始终是沿直线方向前进的，那么，同一时间，受到太阳光的照射，地球上将只有一半被照亮，即昼半球和夜半球都将是严格的半球，晨昏线是一个严格的大圆，晨昏线平面任何时候都正好通过地心。在这样的条件下，每年的夏至日和冬至日，太阳直射南北回归线，晨昏线与南北极圈相切，在极圈上看，夏至日这天，太阳周日圈最低点与地平圈相切；冬至日这天，太阳周日圈的最高点与地平圈相切；除此二至日之外，太阳周日圈总是与地平圈相交。这就是说，在极圈上看，一年当中只有夏至日这天太阳终日不沉入地平线以下，只有冬至日这天太阳终日不升出地平线，即在极圈上看，一年当中只有夏至日这天是极昼，冬至日这天是极夜。

　　实际上，上述推论与观察结果并不一致。因为太阳并非一个光点而是一个有16′视半径的光盘；地球周围的大气对阳光也有明显的折光作用，一般来自地平方向的光线折光差可达34′之多。这就意味着：当太阳中心还在地平线以下50′的时候，太阳上缘已经与地平线相切了。换句话说，受上述因素的影响，任何时候地球上的昼半球都大于夜半球，晨昏线都不是严格的大圆，晨昏线平面都不会正好通过地心。

　　根据以上分析可知：每年夏至日这天，在极圈上看，半夜时实际太阳中心位于地平线上，但我们看到的太阳中心却在地平线以上半度多，而太上缘更在地平线以上50′。由于人们习惯上是以太阳上缘升到地平线时为日出，以太阳上缘落到地平线时为日落，加上夏至日前后，太阳赤纬日变化量较小，只有每日2.8′，这样，太阳上缘从地平升到地平以上50′，再回落到地平上这段时间内，太阳始终不沉入地平线以下，是为极昼，持续时间大约为（50′×2）÷2.8′/日，即35日17小时左右。同理，冬至日这天，在极圈上看，正午时，实际太阳中心位于地平线上，而我们看到的太阳中心却在地平线以上半度多，太阳下缘已跳出地平升入空中了。由此可见，受太阳视半径和大气折光差的影响，极圈上每年大约有一个月左右的极昼，极夜则完全消失了，而不是只有一天极昼一天极夜。

　　极昼期间的太阳在天空中是不动的吗？

　　淄博师范学校 秦克铸

　　要解决这个问题首先应搞清地球上的方向。为了便于理解问题，我们

　　用经纬线的切线方向表示具体地点的东西南北方向。

　　请看图一：图中A、B、C、D四点的方向均用当地经纬线切线方向表示，图中阳光来的方向一定，箭头表示地球自转方向。显然，这是一幅北半球夏至日从北极上空看到的日照图。图中A、B、C、D是北极圈上某地随地球自转所取的四个空间位置。当该地自转到A点时，时刻为早晨6点，太阳位于东方天空中；该地随地球自转到B点时，时刻为正午点，太阳位于南方天空中；到达C点时，时刻为18点，太阳转到当地西方天空中；至D点时，时刻为子夜0点，太阳位于北方地平线上。如此这天北极圈上该地所看到太阳便具有如下特点：①24小时永不下落（极昼）；②在天空中的位置不是不动的而是每日转一圈；③在北极太阳是从东→南→西→北→东这样转圈子；④太阳的高度也有变化，位于B点（正午）时最高，位于D点（子夜）时最低。将上述情况绘成剪切景观图便是图二。同样的道理可证明南极极昼期间太阳在天空中的位置变动，得到图三和图四。

　　由此可见，极昼期间太阳在天空中不是不动的。

　　已知太阳直射点位置怎样求极昼极夜范围？

　　淄博师范学校 秦克铸

　　由于地球是个巨大的球体，其本身的密度又很大，不透明，所以受到太阳光的照射时，只能有半个地球被照亮称昼半球，而另外半球末被照亮称夜半球。

　　假定昼半球和夜半球在同一经线圈（共划分360个纬度）上，且都只跨180°纬度（实际上，由于太阳有16′的视半径，再加上地平光线有34′的折光差，使得昼半球任何时候都大于夜半球，但因差别不大，我们可以粗略地认为两个半球各跨180个纬度），那么，离开太阳直射点90个纬度的两条纬线（与晨昏线相切）上太阳高度都是0°，其中太阳直射点所在经线上是正午时的太阳高度（即由此纬度到极点的各纬线圈全处在夜半球---正午太阳高度均小于等于0°，出现极夜），而与直射点所在经线正相对的另一条经线上则为子夜时的太阳高度（即由此纬度到极点的各纬线圈全处于昼半球---子夜时太阳高度都等于大于0°，出现极昼）。

　　据以上道理不难明白：太阳直射点在哪个纬度，离开极点相当这个纬度数的纬线圈到极点就是此时出现极昼极夜现象的范围。其中直射点所在半球，这个范围内为极昼；另外半球这个范围内则为极夜。所以，已知太阳直射点位置求极昼极夜范围的方法是：直接用90°减去直射点纬度数得到出现范围，再据与直射点位置关系确定哪里极昼哪里极夜。例如：太阳直射5°N时，85°N以北为极昼，85°S以南为极夜；若直射点在20°S，则70°S以南为极昼，70°N以北为极夜。