太阳方位和太阳高度的时空变化
【摘要】同一时刻，不同区域的太阳高度和太阳方位不同，而同一区域，不同的季节和不同时刻太阳高度和太阳方位也在随时发生变化 【关键词】极昼地区太阳视运动赤道日出日落南北回归线太阳高度 太阳是距离地球最近的恒星，也是对于地球有着及其特殊意义的天体。太阳高度和太阳方位的时空变化，特别是太阳的日出日落方位的时空变化，对于我们人类的某些自然科学领域和经济领域有很大影响，同时高中地理对于相关知识的考察，是一个让考生望而生畏的难点。 一、不同区域太阳方位和太阳高度的变化 1.极昼区 在春分以后，太阳直射点进入北半球，北极点开始出现极昼现象，而且随着直射点的北移，极昼范围逐渐扩大，夏至6月22日前后达到最大，即北极圈以内整个出现了极昼现象；夏至以后到秋分之间，极昼范围又从北极圈缩小到北极点。极昼现象发生时，一天24小时太阳都位于地平圈以上，整个的太阳周日视运动，我们都是可见的。北极圈以内某地刚好出现极昼时，该点即位于极昼区的最低纬度，太阳在地方时0点从正北地平线上日出，此时太阳高度为0°。而后每个小时向东移15°同时太阳高度增大，如地方时2点，太阳方位是北偏东30°，地方时6点，则位于正东；再向南移，每个小时移动15°，如地方时10点，太阳方位是东南方向，确切的说南偏东30°，12点则位于正南方向，此时太阳高度也达到了一天中的最大值。而后，太阳在逐渐西移，高度减小，18点位于正西，18点至4点之间，太阳北移，24点日落于正北方。 南极圈以内发生极昼时，直射点一定是位于南半球的，时间是秋分以后，到第二年春分之前，极昼现象也是先出现在南极点上，在向南极圈逐渐扩大，而后在缩小到南极点上。南极圈以内极昼时，太阳方位与北极地区有一定的区别，表现为地方时0点时，太阳位于正南，高度为一天中的最低值，而后东移，6点到12点向北移，太阳高度增大，12点太阳正北天空，太阳高度最大。而后向西移和向北移，太阳高度减小，零点时太阳高度最小，太阳方位由位于正北方向了。只要有极昼发生，该地的地方时0点的太阳高度都是等于或大于0°的，有趣的是，极昼区最低纬度的太阳高度为零度，随着纬度升高，0时的太阳高度是逐渐增加的，其数值恰好为该地与极昼区最低纬度的纬度差值。在极昼区各纬度，0时的最小太阳高度与12时的最大太阳高度之和永远等于当日直射点纬度的2倍。 极点发生极昼时，太阳高度在一天内的数值是不变化的，等于该日直射点纬度的大小，太阳视运动轨迹平行于地平圈。不同的是，北极点极昼时，太阳方位在任意时刻都位于正南方，南极点极昼时观测太阳方位在正北。 极昼区极点极昼区最低纬度极昼区其他纬度 2非直射也非极昼极夜区地区的太阳方位及高度的变化 在北半球的夏半年，直射点位于北半球，全球除去极昼极夜的地区，日出都是位于东北方向，日落均位于西北。因为随纬度升高，昼夜长短的变化幅度都在变大，所以北半球的夏半年，北半球纬度升高白昼渐长，直到变成极昼，南半球则随纬度升高白昼渐短，直到变成极夜。白昼越长，日出越早，日出方位自东向北的偏角越大，例如某地地方时2点日出偏角为北偏东30度，此时北半球的直射点以北的非极昼区全天太阳方位的变化是东北-东-东南-南-西南-西-西北，西北日落。其中太阳于地方时6点位于正东高于地平线一定的高度上，12时在正南方上中天，18时位于正西与6时的太阳高度相同的地方。这个太阳周日视运动轨迹地平圈以上部分为一个优弧。太阳高度的变化规律是日出时为0°，日出至当地正午一直增大，正午至日落时刻太阳高度减小，日落时刻为0°。 北半球的夏半年，南半球纬度越高昼越短，日出越晚，太阳的日出方位也是自东向北的偏角增大，地方时7点日出，则日出偏角为东偏北15°，日落时则为地方时17点，方位角是西偏北15°，一天中太阳方位的变化是东北-正北-西北，视运动轨迹在地平圈以上的部分为一个劣弧。太阳的高度角整体偏低，但是大小变化同样是日出到正午由0度增大到一天中的最大值，正午到日落时刻太阳高度再逐渐减小到0°。 南半球的夏半年，直射点位于南半球，全球除去极昼极夜区都日出东南方向，日落西南。南半球的直射点以南极昼区以北之间的区域，视运动轨迹为东南-正东-东北-正北-西北-正西-西南，太阳视运动轨迹位于地平圈以上的是一个优弧，太阳方位角度变化也是15°每小时，6点之前日出时太阳在东南，6点至12点之间的六个小时，太阳从正东到正北，18点时，太阳又到正西了。北半球这段时间处于冬半年，昼短夜长，视运动轨迹为东南-正南-西南，地平圈以上为一个劣弧。太阳高度的变化规律不变，上午增大，下午递减。 春秋二分这两天，太阳直射点位于赤道，全球各地区昼夜均等，日出于正东，日落于正西，北半球的视运动轨迹为正东-正北-正西，南半球为正东-正北-正西，所有视运动轨迹位于地平圈以上部分和以下部分是相等的，是圆周的一半。 3、直射区域的太阳方位及太阳高度的变化 春秋二分，太阳直射点位于赤道，赤道的太阳方位的变化规律是正东-天顶-正西，太阳高度从6点日出时的0度变到正午时刻的90°，又减小为18点时刻的0°，应该说这是太阳高度变化速度最大的一种情况。 夏至，太阳直射点位于北回归线，北回归线的太阳方位的变化情况是东北-天顶-西北，太阳高度从6点之前日出时刻的0°增大到12时的90°，到18点以后日落时刻又减小为0°。 冬至时的直射点南回归线的情况，与以上不同的是，太阳方位东南-天顶-西南。太阳高度与夏至的北回归线相似。 4、直射点与赤道之间的区域太阳方位及太阳高度的变化 夏至，北回归线与赤道之间的区域，太阳方位的变化情况是东北-正北-西北，而这时太阳视运动轨迹地平圈以上部分为一个优弧；冬至，南回归线与赤道之间的区域，太阳方位是有东南-正南-西南，同样地平圈以上的太阳视运动轨迹也是一个优弧。如右图，表示的是夏至北回归线与赤道之间区域的太阳视运动图。 二、相关太阳方位太阳高度的经典高考及模拟试题解析 【2009年天津文综5】科考队员在北极点附近某处一天中不同时刻拍摄了太阳照片。观察照片（图3），回答第5题。 5.太阳位于a所指位置时，拍摄者看到的太阳方位和他所在地的地方时分别是 A.正北0：00B.正北12：00C.正南0：00D.正南12：00 解析：因为该地区位于北极点附近，一天中不同时刻都可以见到太阳，推断正值极昼，a点是一天中太阳高度最低时刻，应该为日出日落，根据极昼区太阳方位太阳高度的变化规律，北极圈以内极昼时，正北日出正北日落，地方时0：00故选A 【2012青岛二中文综模拟】2012年3月8日，拍摄者在澳大利亚西南部努拉伯平原看到，日落的位置刚好在某直线铁路的两根铁轨间（如图所示）.据悉，每年只有两天会出现这种现象，据此完成3—4题： 3.该铁路线的走向为 A.东西走向B.东南——西北走向 C.南北走向D.东北——西南走向 解析：2012年3月8日，直射点位于南半球，据全球非极昼区太阳日出日落方位变化规律，日出东南，日落西南，故选D -【2012年安徽文综】图11为我省平原地区某中学的操场和行道树示意图（晴天8：00前后，东操场大部分被行道树的树荫覆盖）。完成30-31题。30.为充分利用树荫遮阳，6月某日16：00-16：45该校某班同学上体育课的最佳场地是 A.①B.②C.③D.④ [解析]据太阳方位的判读规律，6月某日16时左右，太阳位于南偏西位置，因此树荫位于树的东北，见下右图，②处部分树荫，①处树荫面积最大，是上体育课的最佳场地。 三、太阳方位和太阳高度变化规律的应用 1、观察太阳方位，可以帮助我们在野外判定方向 例如，夏季我们登上了泰山的日观峰，看到了泰山日出，此时地方时为5：00，则日出方位是东偏北15°，如右图所示，据此建立坐标就能判断各个方向。 此外，如果我们借助一块手表，可以利用太阳方位确定出正南方向。具体方法是，将手表平放，手表此时的时针对准太阳所在的方向，手表上的这一时针和12时时针之间的角分线即为正南方向。不过需要注意的是以上的方法只适合在北回归线以北使用，若是南回归线以南，将12点处对准太阳所在方向，时针与12点的中央即指向北方。 2、在房屋建设时，需考虑所在地区的太阳方位及高度的变化 首先，房屋需要良好的采光条件，采光良好的住宅可以节约能源，使人心情舒畅，便于住宅内部各使用功能的布置，否则将会长期生活在昏暗之中，依靠人工照明，对人的身心健康十分不利。房屋能否有良好的采光，就要求房屋设计和建设者太阳方位的变化规律。 可参考下表来判断住宅朝向以及是否具备良好的日照。 建筑物朝向日照有效时间 正南向9：00-15：00 南偏东1-15度9：00-15：00 南偏东16-30度9：00-14：00 南偏东31-45度9：00-13：00 南偏东46-60度9：00-12：00 南偏东61-75度9：00-11：00 南偏东76-90度9：00-10：00 其次，太阳高度的变化规律有助于楼房间最短距离的确定。任何地区的正午太阳高度，都是冬至最低。因此当地的楼房间距，应该大于或等于其靠近低纬度一侧的楼房的冬至影长。 3、太阳方位对农业的影响 太阳光能是作物进行光合作用、制造有机物质的唯一能量来源，它直接影响作物生长发育和产量的形成，是作物产量形成的基础因此，如何使作物最大限度地利用太阳光能以进行光合作用是现代化农业生产中提高作物产量的根本问题。 据了解，因为我国大部分地区处于北回归线以北，绝大部分时间的太阳方位在南方，垄行作物如果为南北走向作物的采光优于东西走向，因而作物产量也会大些。最近，有的地区的农民将垄行方向调整为东北-西南或西北东南方向，效果更佳，这都是对于太阳方位知识的运用。