太阳视运动应用

湖北 刘 静 詹升强

2018年新课标全国卷Ⅰ地理第10题考查太阳视运动这一知识点，该知识点涉及空间思维，多数同学通过“死记硬背”亦能得出答案，但深入就里，就疑问多多。本文从基本的原理出发，探讨不同纬度地区不同时间的太阳视运动轨迹画法及相关结论，帮助学生建立整体的太阳视运动时空观。主要内容如下：太阳视运动轨道；地平线与地轴关系；北极星仰角与观测点纬度关系；不同时空下日出、正午、日落太阳方位等。

一、基本知识阐述

1.天球及地平线(圈)概念

天球是以任意远为半径的假象的球体，通常指地心天球。由于天球半径无限长，所有天体的位置可以投影在天球上，以便于研究天体的关系和运动状况。高中阶段，一般把地心天球认为是观察者天球，忽略地球半径。

地平圈是通过天球中心(地心)与观察者当地铅锤线(物体重心与地球重心的连线)垂直的平面无限扩大，同天球相割形成的天球大圆。

2.太阳在天球上运动方向、速度及轨道

图1

图1中地球自西向东运动，站在北极上空看，为逆时针。地球自转，地面某地空间位置从3点(此时A星中天)移动到2点(此时B星中天)、1点(此时C星上中天)，对于该地而言，原来中天的A星逐步落后，似乎在向西运动，据此可以推出：太阳运动方向与地球自转方向相反，二者速率相同(约为15°/小时)，太阳(周日)视运动轨道面与地球自转轨道面重合或平行，因自转轨道面与地轴垂直，故太阳视运动的轨道面与地轴亦垂直。

3.北极星相关规律

图2中，在观察点B点看北极星的视线与地轴的夹角是α，但是北极星离我们非常遥远，N与北极星的距离无限长，α无限小，趋近0，即在B点，人观看北极星的视线与地轴ON平行。因此，可以得到以下规律：

图2

①北极星观测仰角(又叫北极星高度角，简称北极星高度)等于当地纬度。

②太阳视运动轨道面与观测者观看北极星的视线垂直。

③赤道及以北地区能够观测到北极星。南半球观测不到北极星，北极星在地平圈(线)以下，其北极星高度与当地纬度互为相反数。

④依据规律③推得太阳(恒星)的视运动轨迹在不同纬度不同时间状态下，处于地平线以上和以下的时间和轨迹弧长存在变化。

二、不同时空状态下的太阳视运动探究

(一)非极昼区域

1.赤道地区

图3

依据规律①：观测者观测北极星仰角为0°。

依据规律②：不同时间状态下太阳视运动轨迹与观测者观看北极星视线垂直。

依据规律④：太阳在地平面以上和以下时间各占一半，故轨迹在地平线上下各一半。最后依据当地不同时间正午太阳方位和高度，可以画出相互平行的视运动轨迹图(图3)。

依据图3，可以得出以下结论：①春秋分时，太阳直射赤道，该地太阳日出正东、日落正西，正午太阳在天顶，且正午太阳高度角为90°；面北而立，太阳逆时针运动；观测者能够见到的太阳轨迹的弧度为180°(参见图3中a线)。

②6月22日时，太阳直射北回归线，该地太阳日出东北、日落西北，正午太阳在正北，且正午太阳高度角为66°34′；面北而立，太阳逆时针运动；观测者能够见到的太阳轨迹的弧度为180°(参见图3中b线)。

③12月22日时，太阳直射南回归线，该地太阳日出东南、日落西南，正午太阳在正南，且正午太阳高度角为66°34′；面南而立，太阳顺时针运动；观测者能够见到的太阳轨迹的弧度为180°(参见图3中c线)。

2.直射区(赤道除外)

(1)以10°N为参照

图4

依据规律①：观测者观测北极星仰角为10°。

依据规律②：不同时间状态下太阳视运动轨迹与观测者观看北极星视线垂直。

依据规律④：太阳在地平面以上和以下时间的数值关系存在着相等和不等关系，具体需要依据不同时间时该纬度昼长来判断。最后依据当地不同时间正午太阳方位和高度，可以画出相互平行的视运动轨迹图(图4)。

依据图4，可以得出以下结论：①春秋分时，太阳直射赤道，该地太阳日出正东、日落正西，正午太阳在正南，且正午太阳高度角为80°；面北而立，太阳逆时针运动；因春秋分全球昼夜平分，观测者能够见到的太阳轨迹的弧度为180°(参见图4中a线)。

②6月22日时，太阳直射北回归线，该地太阳日出东北、日落西北，正午太阳在正北，且正午太阳高度角为76°34′；面北而立，太阳逆时针运动；因此时北半球昼长大于12小时，观测者能够见到的太阳轨迹的弧度大于180°(参见图4中b线)。

③12月22日时，太阳直射南回归线，该地太阳日出东南、日落西南，正午太阳在正南，且正午太阳高度角为56°34′；面南而立，太阳顺时针运动；因此时北半球昼长小于12小时，观测者能够见到的太阳轨迹的弧度小于180°(参见图4中c线)。

(2)以10°S为参照

图5

依据规律①：观测者观测北极星仰角为地平面以下10°。

依据规律②：不同时间状态下太阳视运动轨迹与观测者观看北极星视线垂直。

依据规律④：太阳在地平面以上和以下时间的数值关系存在着相等和不等关系，具体需要依据不同时间时该纬度昼长来判断。最后依据当地不同时间正午太阳方位和高度，可以画出相互平行的视运动轨迹图(图5)。

依据图5，可以得出以下结论：①春秋分时，太阳直射赤道，该地太阳日出正东、日落正西，正午太阳在正北，且正午太阳高度角为80°；面北而立，太阳逆时针运动；因春秋分全球昼夜平分，观测者能够见到的太阳轨迹的弧度为180°(参见图5中a线)。

②6月22日时，太阳直射北回归线，太阳日出东北、日落西北，该地正午太阳在正北，且正午太阳高度角为56°34′；面北而立，太阳逆时针运动；因此时南半球昼长小于12小时，观测者能够见到的太阳轨迹的弧度小于180°(参见图5中b线)。

③12月22日时，太阳直射南回归线，该地太阳日出东南、日落西南，正午太阳在正南，且正午太阳高度角为76°34′；面南而立，太阳顺时针运动；因此时南半球昼长大于12小时，观测者能够见到的太阳轨迹的弧度大于180°(参见图5中c线)。

3.非直射区

(1)以40°N为参照

图6

依据规律①：观测者观测北极星仰角为40°。

依据规律②：不同时间状态下太阳视运动轨迹与观测者观看北极星视线垂直。

依据规律④：太阳在地平面以上和以下时间的数值关系存在着相等和不等关系，具体需要依据不同时间该纬度昼长来判断。最后依据当地不同时间正午太阳方位和高度，可以画出相互平行的视运动轨迹图(图6)。

依据图6，可以得出以下结论：①春秋分时，太阳直射赤道，太阳日出正东、日落正西，正午太阳在正南，且正午太阳高度角为50°；面南而立，太阳顺时针运动；因春秋分全球昼夜平分，观测者能够见到的太阳轨迹的弧度为180°(参见图6中a线)。

②6月22日时，太阳直射北回归线，该地太阳日出东北、日落西北，正午太阳在正南，且正午太阳高度角为73°26′；面北而立，太阳逆时针运动；因此时北半球昼长大于12小时，观测者能够见到的太阳轨迹的弧度大于180°(参见图6中b线)。

③12月22日时，太阳直射南回归线，该地太阳日出东南、日落西南，正午太阳在正南，且正午太阳高度角为26°34′；面南而立，太阳顺时针运动；因此时北半球昼长小于12小时，观测者能够见到的太阳轨迹的弧度小于180°(参见图6中c线)。

(2)以40°S为参照

图7

依据规律①：观测者观测北极星仰角为地平面以下40°。

依据规律②：不同时间状态下太阳视运动轨迹与观测者观看北极星视线垂直。

依据规律④：太阳在地平面以上和以下时间的数值关系存在着相等和不等关系，具体需要依据不同时间时该纬度昼长来判断。最后依据当地不同时间正午太阳方位和高度，可以画出相互平行的视运动轨迹图(图7)。

依据图7，可以得出以下结论：①春秋分时，太阳直射赤道，太阳日出正东、日落正西，正午太阳在正北，且正午太阳高度角为50°；面北而立，太阳逆时针运动；因春秋分全球昼夜平分，观测者能够见到的太阳轨迹的弧度为180°(参见图7中a线)。

②6月22日时，太阳直射北回归线，该地太阳日出东北、日落西北，正午太阳在正北，且正午太阳高度角为26°34′；面北而立，太阳逆时针运动；因此时南半球昼长小于12小时，观测者能够见到的太阳轨迹的弧度小于180°(参见图7中b线)。

③12月22日时，太阳直射南回归线，该地太阳日出东南、日落西南，正午太阳在正南，且正午太阳高度角为73°26′；面北而立，太阳逆时针运动；因此时南半球昼长大于12小时，观测者能够见到的太阳轨迹的弧度大于180°(参见图7中c线)。

综上所述，非极昼区域，当太阳直射北半球时，太阳都是东北日出，西北日落；当太阳直射赤道时，太阳都是正东日出，正西日落；当太阳直射南半球时，太阳都是东南日出，西南日落；赤道地区是垂直日出，垂直日落；面北而立，太阳都在天空中逆时针运动，面南而立，反之。

(二)极昼区域

1.与晨昏线相切的纬线

(1)以6月22日时的北极圈为参照

图8

依据规律①：观测者观测北极星仰角为66°34′。

依据规律②：不同时间状态下太阳视运动轨迹与观测者观看北极星视线垂直。

依据规律④：此时此地太阳一直处于地平线上或以上。最后依据当地日出太阳高度角和正午太阳方位和高度画出太阳视运动轨迹图(图8)。

依据图8，可以得出以下结论：6月22日时，太阳直射北回归线，该地太阳日出正北、日落正北，正午太阳在正南，且正午太阳高度角为46°52′；面北而立，太阳逆时针运动；因北极圈此时昼长为24小时，观测者能够见到的太阳轨迹的弧度为360°(参见图8)。

(2)以12月22日时的南极圈为参照。

图9

依据规律①：观测者观测北极星仰角为地平线以下66°34′。

依据规律②：不同时间状态下太阳视运动轨迹与观测者观看北极星视线垂直。

依据规律④：此时此地太阳一直处于地平线上或以上。最后依据当地日出太阳高度角和正午太阳方位和高度画出太阳视运动轨迹图(图9)。

依据图9，可以得出以下结论：12月22日，太阳直射南回归线，该地太阳日出正南、日落正南，正午太阳在正北，且正午太阳高度角为46°52′；面南而立，太阳顺时针运动；因南极圈此时昼长为24小时，观测者能够见到的太阳轨迹的弧度为360°(参见图9)。

2.极点

(1)以6月22日时的北极点为参照

图10

依据规律①：观测者观测北极星仰角90°。

依据规律②：不同时间状态下太阳视运动轨迹与观测者观看北极星视线垂直，此时此地太阳视运动轨迹与地平圈平行。

依据规律④：此时此地太阳一直处于地平线以上。最后依据当地日出太阳高度角和正午太阳方位和高度画出太阳视运动轨迹图(图10)。

依据图10，可以得出以下结论：6月22日时，太阳直射北回归线，该地太阳高度一天之内不变，其转道面与地平圈平行；四周的方向皆为正南，仰视时，太阳逆时针运动；因北极点此时昼长为24小时，观测者能够见到的太阳轨迹的弧度为360°(参见图10)。

(2)以12月22日时的南极点为参照

图11

依据规律①：观测者观测北极星仰角为地平线以下90°。

依据规律②：不同时间状态下太阳视运动轨迹与观测者观看北极星视线垂直，此时此地太阳视运动轨迹与地平圈平行。

依据规律④：此时此地太阳一直处于地平线以上。最后依据当地日出太阳高度角和正午太阳方位和高度画出太阳视运动轨迹图(图11)。

依据图11，可以得出以下结论：12月22日时，太阳直射南回归线，该地太阳高度一天之内不变，其转道面与地平圈平行；四周的方向皆为正北，仰视时，太阳顺时针运动；因南极点此时昼长为24小时，观测者能够见到的太阳轨迹的弧度为360°(参见图11)。

3.非极点和与晨昏线相切的区域

(1)以6月22日的80°N为参照：

依据规律①：观测者观测北极星仰角为地平线以上80°。

依据规律②：不同时间状态下太阳视运动轨迹与观测者观看北极星视线垂直，此时此地太阳视运动轨迹与地平圈平行。

依据规律④：此时此地太阳一直处于地平线以上。最后依据当地日出太阳高度角和正午太阳方位和高度画出太阳视运动轨迹图(图12)。

图12

依据图12，可以得出以下结论：6月22日时，太阳直射北回归线，该地太阳从正北地平线上升起、降到正北地平线上，正午太阳在正南，且正午太阳高度角为33°26′；面北而立，太阳逆时针运动；因北极圈此时昼长为24小时，观测者能够见到的太阳轨迹的弧度为360°(参见图12)。

(2)以12月22日的80°S为参照，同理，如图13，此时，太阳直射南回归线，该地太阳从正南地平线上升起、降到正南地平线上，正午太阳在正北，且正午太阳高度角为33°26′；面南而立，太阳顺时针运动；因南极圈此时昼长为24小时，观测者能够见到的太阳轨迹的弧度为360°

图13

综上所述，极昼的极点地区，仰视太阳，北极点逆时针运动，南极点顺时针运动，且太阳运动的轨道面与地平圈平行。与晨昏线相切纬线，若位于北半球，太阳从正北日出，正北日落；若位于南半球，太阳从正南日出，正南日落；其余极昼区域，若位于北半球，太阳在地平线以上的正北升起，降到正北地平线以上，若位于南半球，太阳在地平线以上的正南升起，降到正南地平线以上。

三、典型案例应用

【例1】下图是北半球某地某日太阳视运动轨迹，日出时间为北京时间7时16分，日落时北京时间为19时16分，①处为此日太阳最高位置，②处为北极星，北极星高度比该日正午太阳高度小10°。据此回答(1)(2)题。

(1)该日最可能是

( )

A.五一前后 B.国庆前后

C.春节前后 D.元旦前后

(2)该地的经纬度为

( )

A．40°N，101°E B．40°N，139°E

C．50°N，101°E D．50°N，139°E

【解析】先求出当地的昼长为12时(19时16分-7时16分=12时)，而且能见到北极星，且不在赤道，说明直射点位于赤道(国庆前后符合)。要求点位于北半球，设北极星高度角为x,则正午太阳高度角为x+10°，带入下午太阳高度公式：H=90°-|x-0°|=x+10°，推出x=40°N，通过昼长12小时，日出地方时为6时，北京时间(120°E地方时)为7时16分可以推出当地经度为101°E。

【答案】(1)B (2)A

【例2】下图反映A地地平面观察到的太阳视运动过程图，其中虚线圈为太阳视运动轨迹，B为A地的天顶，C为太阳视运动某一位置。读图分析(3)(4)题。

(3)当太阳位于C位置，∠BAC=43°08′，北京时间为16：00时，A地的经纬度位置为

( )

A.66°34′N，60°E B.46°52′N，90°E

C.43°08′N，150°E D.90°N

(4)关于A地自然地理环境的特征，叙述正确的是

( )

A．有长达近半年的极昼期

B．有广阔的温带草原

C．有亚寒带针叶林分布

D．是典型的温带海洋性气候

【解析】从图中可以看出，太阳从正北日出，正北日落，最高位置位于正南(即C点)，因此该地的正午太阳高度H=90°-∠BAC=46°52′，地方时为12时(北京时间为16时，求出当地经度为60°E)，位于北半球，且与晨昏线相切。设直射点纬度为x，则该地纬度为90°-x，带入正午太阳高度角公式H=90°-|90°-x-x|=2x=46°52′,因此x=23°26′N，当地纬度为66°34′N；最后可知道A点的位置为66°34′N，60°E，位于俄罗斯的乌拉尔地区，为亚寒带针叶林气候，分布的植被是针叶林，该地只有夏至日这一天出现极昼现象。