太阳周日视运动轨迹的绘制及计算.doc

太阳周日视运动轨迹的绘制及计算洛阳市第十九中学（471000） 王安周本刊在2015年第17期发表日出日落时间和方位的计算及太阳周日视运动轨迹示意图的制作方法1，经过仔细阅读发现一些值得商榷的地方，比如日出太阳方位计算公式、赤道上日出方位、太阳周日视运动轨迹的绘制等。以地面观测者为中心，太阳“东升西落”，24小时绕地轴并随天球旋转一周，其在天球上运行的轨迹称为太阳周日视运动(简称太阳周日圈)。借助天球坐标体系，对其构成要素、特点和绘制方法进行量化分析，实现了对其运动轨迹路径图准确绘制。一、太阳周日视运动轨迹探究地球仪地轴水平横放，固定粉笔垂直放于地球仪表面，拨动地球仪自转一周，记录留下痕迹；多次重复上述操作且更换粉笔颜色，观察留下的笔迹。表明地球仅自转，不同季节太阳直射点运动轨迹均为平行于纬线圈的一系列圆圈，范围介于南北回归线之间（图1）。冬至夏至天赤道二分北天极南天极南回归线赤 道北回归线粉笔粉笔图1 仅自转太阳直射点运动轨迹 图2太阳周日视运动在天球上的投影地心天球是以地球球心为中心，以无限大为半径，内表面分布着各种各样天体的假想球体。为了研究方便，引入天球坐标体系，地球的地轴无限延伸与天球交点，分别为北天极和南天极，地球的赤道平面无限伸延与天球交线，就是天赤道2。若以地面观察者为中心，观测者和太阳连线无限延长与天球的交点，若把一太阳日内这些交点用平滑曲线连接起来，就是太阳周日视运动的轨迹，其实质上就是一天中太阳直射点移动轨迹在天球上投影（图2）。NSEPOHCDGA夏至冬至二分WC二、太阳周日视运动构成要素图3 北纬的地平圈上二分二至日太阳视运动轨迹分布图、结构图和立体图为了准确描绘太阳视运动的轨迹，假设观察点所在纬度为，太阳直射点所在纬度为，天球半径为，在图2基础上绘制图3a、3b、3c。图3a表示北纬的地平圈上二分二至日太阳视运动轨迹分布图，图3b为图3a的侧视结构图，可以揭示不同季节太阳视运动在天球中的位置，图3c为太阳视运动轨迹在地平圈上的立体图，更加清晰表示不同季节太阳在天球中的位置。根据图3中信息，对太阳周日视运动的构成要素及其特点进行详细分析。（1）平行：由图3a可知，在天球坐标系中，不同季节的太阳周日视运动圈都平行于天赤道，因此，相对于同一地平圈而言，太阳周日视运动轨道面都相互平行3； （2）倾角（）：图3b中可知，且太阳周日视运动的轨道面相互平行，所以它们与地平面的交角相等，即倾角；（3）日出方位角（）：由图3c可知，且与互余，所以。因此日出地点相对于正东方向的方位偏角为：，若太阳直射纬度为，则同一地点的日出偏角和日落偏角相等4。三、太阳周日视运动平面图绘制方法平面图绘制中关键是图3b中控制点A、B、C、D、G的定位，控制点的选取方法详见表1。表1 太阳视运动平面图绘制控制点选取方法控制点选取方法D做过中心O点的正午太阳高度角或倾角于圆弧交点，确定上中天D点。A、B计算确定A点；过G点做OD平行线与NS交点确定A点；上中天（正午）与下中天（子夜）连线与NS交点确定A点；同理确定B点。C、G过中心O做正午太阳高度角与天球交点确定C点；过B点做OD平行线与天球交点确定C点；过B点做倾角与天球交点确定C点；同理确定G点。四、太阳周日视运动轨迹的绘制1太阳周日视运动随季节变化图根据立体图形中的点线面的关系，对赤道（=0）处，二分二至日的倾角、高度、距离和日偏角进行了计算，结果见下表2，并根据计算结果绘制图4。同理，绘制北纬20N、40N、70N二分二至日太阳视运动轨迹平面图（图5）。表2 赤道上二分二至日太阳周日视运动构成要素季节倾角H正午H子夜距离日偏角二分日90909002326二至日90663466340.397R2326图4赤道上二分二至日太阳视运动在地平圈上的立体图、示意图和平面图 图5 北半球20N、40N、70N地平圈上二分二至日太阳视运动轨迹平面图 2太阳周日视运动随纬度变化图 根据立体图形中的点线面的关系，夏至日（=2326N）和二分日（=0）时，北半球不同纬度的倾角、高度、距离和日偏角等要素进行了计算，结果见下表3和表4。根据计算结果，结合地平面上W-E、N-S方向、太阳方位以及日偏角等要素，绘制立体图6。表3 夏至日北半球不同纬度的周日视运动构成要素纬度倾角H正午H子夜距离日偏角090663466340.397R232620N70863446340.423R25022326N66349043080.433R25416634N232646520R9070N20432632690N023262326表4 二分日北半球不同纬度的周日视运动构成要素纬度倾角H正午H子夜距离日偏角09090900020N707070002326N663466346634006634N2326232623260070N2020200090N00000图6 夏至、冬至和二分日北半球各地太阳视运动轨迹立体图五、小结太阳周日视运动随纬度和季节变化与地球运动密切相关5，它可呈现太阳方位、昼夜长短、太阳高度等内容。本文主要结论如下：（1）不同季节的太阳周日圈均与天轴（地轴）相垂直，因此，相对于同一地平圈而言，太阳周日视运动轨道面都相互平行，且轨道倾角为；（2）太阳周日圈被地平圈分为两部分，地平圈之上为昼弧，之下为夜弧，若昼弧大于夜弧，则该地昼长夜短。赤道地区，地面圈与太阳周日圈始终垂直且平分，因此赤道上始终昼夜平分；（3）日出方位角计算公式为：， 为当地纬度，为赤纬。二分日，赤道地区太阳正东升起、正西落下，但并非永远东升西落。夏至日，赤道上日出太阳方位为东偏北2326，即日出东北、日落西北。主要参考文献：1易承望.太阳周日视运动轨迹示意图的制作方法J.地理教学, 2015(17):25-26.2刘立昌.关于讲授太阳周日视运动的难点突破J.中学教学参考, 2011(9):92-93.3刘丹.太阳周日视运动图与日太阳