【天文】太阳在一天里的“轨迹”是什么样的?

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【天文】太阳在一天里的“轨迹”是什么样的?

我们应该都听说过一个在野外判定方向的方法——观察树木枝叶,一般都是朝南边更茂盛。这是因为我们身处北半球,太阳的位置大部分时间都偏向南方。这一点是很好理解的。但是,即使是身处北半球较高纬度的地方,太阳同样也能出现在偏北方向!(下面的情况如无特殊强调,均为北半球的情况)

再也平常不过的“东升西落”?

  太阳“东升西落”可以说是最家喻户晓的常识了。但就是这再也平常不过的“东升西落”,其实也不简单!

虽然太阳“东升西落”,但在一年里绝大多数时间,太阳升起时并不是在正东方向!同样的,太阳落下时也很少是在正西方向。在冬季,太阳升起时在东偏南方向,落下时在西偏南方向;而在夏季,太阳升起和落下分别是在东偏北和西偏北方向。

也许会有人奇怪,我身处北半球,太阳理应出现在偏南方向,为什么太阳也会出现在偏北方向?实际上,在赤道以北到北回归线的这一带地区也属于北半球,在夏至的正午,太阳确实会出现在天顶偏北的位置。但是,对于北回归线以北的地区,太阳也一样能出现在偏北方向!这是怎么回事呢?

要弄明白这个问题,我们就需要知道,太阳一天里在天上走了一个什么样的“轨迹”。

天体的周日视运动

  天体的周日视运动理解起来其实非常简单。还记得“星轨”吗?由于地球自转,长时间曝光的星空照片里的星星会划出一道道弧线。这些“弧线”就是这一段时间里这些星星的“轨迹”,它们的圆心都是北天极。可以想象,如果过去完整一天,这些星星就能划出一个个完整的同心圆,这些圆就是星星在一天里在天上走出的“轨迹”。这就是对天体周日视运动的简单理解。

既然恒星如此,那么太阳是不是也一样呢?实际上太阳在一天里的轨迹,同样是一个近似的圆,这个圆的圆心就是北天极。

由于地球也在绕太阳公转,因此太阳一天里的轨迹应当是“周日视运动”和“周年视运动”的合成。“周年视运动”实际上就是太阳在黄道上的运动。但在一天里,太阳的周年视运动相对于周日视运动来说相当不明显,我们接下来的讨论如果不特殊强调,都忽略周年视运动的影响。

换句话说,在一天里,我们就直接认为太阳在天上的“轨迹”就是一个圆,圆心就是北天极。

太阳在不同季节里一天的“轨迹”

  我们来看一下下面这个动图

图里就很清晰的显示了冬至日和夏至日的太阳周日视运动。

可以看到,在一天里,太阳的轨迹是一个“斜着”的大圆,太阳并不是很多人想象中的垂直升起和垂直落下。

我们曾说过,北极星的高度角就约等于当地的纬度。在纬度不一样的地方,太阳轨迹“倾斜”的程度也不一样。

天球赤道与地平线相交的两个点就是正东和正西了。可以看到,夏至太阳升起是在东偏北方向,而落下在西偏北方向。在夏至日太阳中天时,也就是地方时是正午的时候,北回归线以南的地区的太阳在天顶偏北方向,北回归线以北地区太阳在天顶偏南方向。(注:此处假设夏至为一整日,实际上夏至为一个时刻,下面有关二至和二分的表述同)

在春分和秋分的时候,太阳的“轨迹”就和天赤道重合。也就是说,一年里只有春分日和秋分日的太阳是从正东升起,从正西落下的。

可以看出,一年的大部分时间里,北回归线以北的太阳都是处于偏南方向,这就是本文开头所说的情况。但这并不意味着,北回归线以北的太阳不会出现在天空的偏北方向。

  为什么太阳时而会在天赤道以北,时而在天赤道以南,每年都来回“溜达”?这就是前面所说的太阳周年视运动的结果。

从周日视运动的图中也可以看出为什么北半球夏天昼长夜短,冬天昼短夜长。可以看出,在夏至的时候,太阳的轨迹在地平线上的部分是一段优弧(圆心角大于180°的弧),而冬至时太阳轨迹在地平线上的部分是一段劣弧(圆心角小于180°的弧)。在二分日,太阳在地平线以上的轨迹则是一个半圆。

我们近似认为太阳沿着“轨迹”运行是匀速的。因此夏天运行完白天那一段弧花费的时间要多些,而冬天要少些。在二分日,太阳轨迹被“平分”,因此昼夜长短一样。(此处不考虑大气作用)

因此,只要熟悉北极星的位置,在白天你就可以大致知道今天的太阳将会“走”过一条什么样的路。

 

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