太阳周日运动轨迹图的绘制方法

赵小瑞陈 杰向梨丽

（1. 北京师范大学地理学与遥感科学学院, 北京 海淀 100875; 2. 成都市新都一中, 四川 成都 610500）

太阳周日运动轨迹图的绘制方法

赵小瑞1陈 杰1向梨丽2

（1. 北京师范大学地理学与遥感科学学院, 北京 海淀 100875; 2. 成都市新都一中, 四川 成都 610500）

一、太阳周日运动形成的原理

由于地球绕地轴自西向东旋转而使得地球上的人观测到太阳有“东升西落”的现象，这是我们通常所理解的太阳周日运动。我们可以利用地心天球（见图1）来得到太阳周日运动形成的原理。

图1 地心天球

1.地心天球

所谓地心天球是指以地心为球心，以任意远为半径的一个假想球体。

地轴无限延长即为天轴，它与天球有两个交点，北端的交点叫天北极，南端的交点叫天南极。

我们把赤道平面无限扩大，它会与天球相割而形成一个大圆，我们称之为天赤道，它将天球分为南北两个半球，两极即为天北极和天南极。天球上和天赤道平行的所有圆叫做赤纬圈，天赤道以北为正值，以南为负值。天赤道为0°赤纬圈；在天球北半球找出所有与地心连线和天赤道所在平面所构成的线面角为23.5°的点，它们的连线所成的圆即为23.5°赤纬圈，在天球南半球找出所有与地心连线和天赤道所在平面所构成的线面角为23.5°的点，它们的连线所成的圆即为-23.5°赤纬圈。

2.太阳周日运动的方向与轨迹

因为地球自西向东绕地轴旋转，相应的太阳在地心天球中绕天轴做自东向西的运动，其周日运动轨迹恰与其所在赤纬圈重合，形成一个圆圈，我们称为周日圈。

一年之中，太阳直射点在地球上的位置不是固定的，而是在南北纬23.5°之间（包括南北纬23.5°）做回归运动。从而，一年之中太阳周日运动轨迹就应为23.5°赤纬圈与-23.5°赤纬圈之间的所有赤纬圈（包括23.5°赤纬圈和-23.5°赤纬圈）。其中23.5°赤纬圈为北半球夏至日时太阳周日运动轨迹，-23.5°赤纬圈为北半球冬至日太阳周日运动轨迹，0°赤纬圈为春秋分太阳周日运动轨迹。

我们掌握了太阳周日运动的形成原理，下一步就可以绘制各地的太阳周日运动轨迹图了。

二、绘制某地太阳周日运动轨迹图的方法

一地的太阳周日运动轨迹，是以该地为中心观测到的太阳运动路线，日出为起点，日落为终点。日出指太阳初升出地平圈的时刻，日落指太阳完全没入地平圈以下的那一时刻。如果我们要画出某地太阳周日运动轨迹就必须先找到这两个点。在地心天球中，我们只要画出该地地平圈，它与当日周日圈的两个交点就是日出点和日落点，地平圈以上的周日圈即为当地周日运动轨迹。我们以北纬10°某地为例进行绘制，具体步骤如下。

1.绘制当地铅垂线

当地铅垂线即为当地与地心的连线，无限延长与天球有两个交点，叫做天顶和天底（见图2）。

图2

2.绘制地平圈并确定方位

地平圈是通过地心，且垂直于当地铅垂线的平面的无限扩大，同天球相割而成的天球大圆。地平圈将天球分为可见和不可见两个部分，两极为天顶和天底，天顶是位于可见部分的极点，天底是位于不可见部分的极点。通过绘制北纬10°某地地平圈我们会发现，地平圈与天赤道所在平面夹角与当地地理纬度互余，天顶天底连线和天赤道的夹角等于当地纬度（见图3）。

图3

地平圈与天赤道的两个交点是东点和西点。地平圈对于天赤道的两个远距点（与交点间隔90°的点）是南点和北点，靠近天北极的为北点，靠近天南极的为南点。它们分别是东方、西方、南方和北方的标志（见图3）。

3.确定太阳周日运动轨迹

地平圈与当日周日圈有两个交点，距东点最近的交点为日出点，距西点最近的交点为日落点。周日圈中距天顶最近的点为当地正午太阳所在位置。这三点所构成的圆弧即为当地可见太阳周日运动轨迹（见图3）。到此，只要旋转图3得到图4，再擦除地平圈以下部分就可得到常见的太阳周日运动轨迹图（见图5）。

图4

图5

三、快速绘制不同地区太阳周日运动轨迹图的方法

如果掌握了太阳周日运动的原理，我们不难发现，想要绘制出某地太阳周日运动轨迹图，只需画出当地天赤道即可，天赤道为当地春秋分时太阳周日运动轨迹，其他时间所有太阳周日运动轨迹都与之平行，最南最北分别到达±23.5°赤纬圈。而天赤道与当地地平圈夹角刚好与当地地理纬度互余。以赤道、南纬40°、北纬70°某地为例，我们分别绘制各地二分二至日太阳运动轨迹图。

1. 绘制当地地平圈和可见天球，并确定地平圈上方位和天顶位置（见图6）。

2. 绘制出当地天赤道，天赤道与地平圈夹角与当地地理纬度互余。因为南半球位于天赤道以南，所以其天顶在天赤道以南；同理，北半球某地天顶位于天赤道以北，赤道上某地天顶位于天赤道上（见图7）。

3. 二分二至日太阳周日运动轨迹分别与天赤道、23.5°赤纬圈和-23.5°赤纬圈重合，所以在图中绘制23.5°赤纬圈和-23.5°赤纬圈即可得到当地二分二至日太阳周日运动轨迹图（见图8）。

图6

图7

图8

掌握太阳周日运动对解决日出日落方位及其变化规律、日影长短及朝向变化规律、昼夜长短及其变化规律和正午太阳高度及其变化规律等问题有重要意义。本文以太阳周日运动形成原理为基础，详细讲解绘制了太阳周日运动轨迹图的方法，不仅可以从根本上帮助我们理解太阳周日运动，而且对于更好地认识和掌握与太阳周日运动相关的自然现象与规律具有重要的意义。在教学实践中，教师真正需要掌握的不单单是简单地判读太阳周日运动轨迹图的方法，更重要的是太阳周日运动的原理，以及利用这一原理绘制太阳周日运动轨迹图的技能，这样才更有助于帮助学生解决相关问题。

[1] 金祖孟,陈自悟.地球概论[M].北京:高等教育出版社,1997.