太阳周年视运动“8”字形态的定性解释

陶贤赞��

摘要：太阳周年视运动是指一年内太阳位置的视变化，是地球公转运动的一种表现。根据拍摄的合成图来看，太阳位置在每天的同一时刻位置不同，轨迹呈“8”字形态。感觉这与高中的地理课本有点出入，有点奇怪。本文对此做出粗略的定性解释。

关键词：太阳周年；定性；解释

图1极地某地区地方时12时太阳周年位置轨迹示意图

图2克里米亚半岛天体物理天文台拍摄的太阳周年视运动的精彩照片

出入在哪呢？比方说如图1，北回归线以北正午太陽位置永远在正南，这应该没有怀疑的地方，但图1的太阳位置变化，这样的话按理来说图上每一个太阳位置都表示正南方向，正南方向就有多个。这显然是荒谬的，因为地理南极只有一个，在同一个地方正南方只有一个。那么我想，问题应该出在拍摄的问题上。

世界标准时采用的是平均太阳日（平太阳日），为24小时，拍摄是定时拍摄的（隔5-10天定时拍摄一次），按照的应该也是平均太阳日。但地球轨道不是正圆，而是接近正圆的椭圆，这就造成了每天的太阳日不同，即地方时12时并不一定是正午，那么太阳位置也就不一定在正南方位了。

图3地球公转轨道示意图

一、 视方位的相似性原理

定理：如果日地的相对方位位置相同，那么太阳的视位置方位便是相同的。

如图4所示的以太阳为中心的放射状灰线，假想地球在其中的一条灰线上移动，那么不管地球在线上的位置如何，太阳方位都是一致的，只是太阳的视觉大小不同。

二、 夏至与冬至

地球公转过程中，地轴的倾向变动很小，我们视地轴倾向不变，由于地球公转轨道接近正圆，因

轨道位置导致的气候年差异较小，主要是地轴的相对太阳朝向差异引起的。当地轴北方向朝太阳时，为夏至日，背向太阳时为冬至日。但夏至日与远日点、冬至日与近日点并不重合。

图4地球公转轨道示意图2

图5地轴朝向影响示意

三、 太阳日公转差异

如果假定地球自转周期不变，则太阳日的长短跟地球相对太阳公转的角速度ω（ω=v公转sinαr）和地球相对轨道的角速度ω自转（ω自转=vcosθ）密切相关。自转方向与公转方向相同时，太阳日比恒星日长，且公转角速度越快，太阳日增长越长。由于速度与日地连线有夹角，且日地距离r并不是定值，所以并不是在远日点时ω最小，在近日点时ω最大。

还有是地轴朝向的影响，地球自转方向决定了地球自转速度在轨道上的分速度。（如图5）当地轴指向与公转速度垂直（夏至、冬至日附近）时，地球自转速度完全作用在轨道上，太阳日较长；当地轴指向与公转速度共面（春秋分附近）时夹角最大（大小为黄赤交角），这时只有在轨道方向上的分速度与公转角速度相抵消，太阳日较短。

当太阳日较短时，相比平太阳日，地方时12时太阳要落后于实际太阳位置，则太阳位于正南偏西侧（图1中右侧），太阳日最小时（约11月3日）在最西侧。太阳日较长时，相比平太阳日，地方时12时太阳要提前于实际太阳位置，则太阳位于正南偏东侧（图1中左侧），太阳日最大时（约2月12日）在最东侧。

由于太阳日既受轨道影响，又受地轴倾向影响，较为复杂，地球相对太阳的角速度并不是在近（远）日点或是夏至、冬至取极值，且轨道上一共有4个极值点，ω反向变化4次，造成了轨迹的回走。

特别地，在北半球来看“8”字呈上小下大的形态，而在南半球相反，为上大下小，这也好理解，因为同一时间内“8”字形态东西方向位置全球一致（因为全球的真太阳日都同步），只是在太阳高度上各个纬度不同，南北半球季节相反，相当于左右不变，上下颠倒了。大致从北往南“8”字上部逐渐变大，下部逐渐变小。

参考文献：

[1]普通高中课程标准实验教科书（人教版）物理必修2[M].北京：人民教育出版社，2014.

[2]普通高中课程标准实验教科书（湘教版）地理必修1[M].湖南教育出版社，2014.

[3]高中物理奥林匹克竞赛标准教材[M].中国科学技术大学出版社，2016.