太阳光照射物体的角度

◎文图 中国科学院国家天文台 郭红锋

居住在中纬度地区的人们都知道，房子的朝向太重要了，例如在北京及周边地区，朝南的房间要比朝北的房间价格高。原因就是南向的房间冬暖夏凉，而东、西向的房间却冬凉夏热，这是为什么呢？

我们以前给同学们讲解过，太阳在中纬度地区的视运动轨迹是东—南—西倾斜的半圆型轨迹。以北京地区（北纬40°）为例，春、夏、秋、冬各季节太阳轨迹变化见图1。

阳光照射的角度对我们的生活有重要影响

图1 北京地区春夏秋冬各季节太阳视运动轨迹图

从图1中，我们分析北半球中纬度地区（例如北京）太阳运动轨迹的规律如下：

1. 夏季太阳运行轨迹大半圈在地面以上，小半圈在地面以下，冬季相反。

2. 太阳相对于地平面的照射，夏季近于直射且照射时间长，冬季偏于斜射且照射时间短，所以室外的温度是夏热冬冷。

◎夏季日出很早（约早4点）且在东北升起，日落很晚（约晚8点）且在西北落下，中午太阳在南边较高的位置，例如北京地区地理纬度约40°，夏至时正午太阳高度达到最高点：90°—40°+23°.5=73°.5。

◎冬季日出很晚（约早8点）且在东南升起，日落很早（约晚4点）且在西南落下，中午太阳在南边较低的位置，例如北京地区地理纬度约40°，冬至时正午太阳高度达到最低点：90°—40°—23°.5=26°.5。

不过对于垂直于地面的物体（例如窗户、墙壁、船帮、人体等），就要具体分析了。例如一面垂直地面的窗户，所射入的阳光，就需要看其朝向啦！

1. 先看看夏季的情况：

◎夏季日照到东窗从早4点到中午12点（约8小时），阳光入射的方向来自侧面（东北方向），到正面（正东方向），再到侧面（东南方向），大部分时间太阳在比较低的位置。因此，阳光与窗面垂直度较大，从东窗射入的阳光通量较大，如果是密闭的房间温度会比较高。

◎夏季日照到南窗从上午8点左右到下午4点左右（约8小时），阳光入射的方向来自侧面（东南方向），到正面（正南方向），再到侧面（西南方向），大部分时间太阳在较高的位置。因此，阳光与窗面垂直度较小，所以从南窗射入的光通量相对较少，如果是密闭的房间温度会比较低。

◎夏季日照到西窗（与东窗对称、类似）从中午12点到晚上8点左右（约8小时），阳光入射的方向来自侧面（西南方向），到正面（正西方向），再到侧面（西北方向），大部分时间太阳在比较低的位置。因此，阳光与窗面垂直度较大，从西窗射入的阳光与东窗相仿，也是通量较大，如果是密闭的房间温度会比较高。

图2 北半球中纬度地区，夏季东、西向房间的太阳辐射强度大于南向

分析结果，东、南、西三面窗，在夏季所受日照时间基本一样长，入射的方向也差不多都是侧面—正面—侧面。但东、西窗进入的太阳光相对窗户比较垂直（因为太阳在较低处运行），进入房间的阳光通量较大（参考图2），而南窗进入的太阳光相对窗户比较平行（因为太阳在较高处运行），进入房间的阳光通量较小（参考图2）。

所以北半球中纬度地区，夏季东、西向房间的太阳辐射强度大于南向。

2. 再看看冬季的情况：

◎冬季日照到东窗从早8点到中午12点（约4小时），阳光入射的方向来自侧面（东南方向），大部分时间太阳在比较低的位置，但因为都是侧面入射，与窗户不垂直，所以从东窗射入的阳光通量较小。如果是密闭的房间温度会比较低。

◎冬季日照到南窗从上午8点左右到下午4点左右（约8小时），阳光入射的方向来自侧面（东南方向），到正面（正南方向），再到侧面（西南方向），大部分时间太阳都在较低的位置。因此，阳光与窗面垂直度较大，从南窗射入的光通量相对较多，如果是密闭的房间温度会比较高。

◎冬季日照到西窗（与东窗类似）从中午12点到晚上4点左右（约4小时），但因为都是侧面入射，与窗户不垂直，所以从西窗射入的阳光通量较小，如果是密闭的房间温度会比较低。

通过以上分析，说明东、南、西三面窗，在冬季所受日照时间不一样长，入射的方向也不相同。东、西窗射入的太阳光相对窗户比较平行（因为太阳从侧面斜射进入），因此进入房间的阳光通量较小（参考图3），而南窗射入的太阳光相对窗户比较垂直（因为太阳在较低处运行，而且大半时间是正面直射），进入房间的阳光通量较大（见图3）。

所以，在北半球中纬度地区，冬季东、西向房间的太阳辐射强度小于南向。

图3 北半球中纬度地区，冬季东、西向房间的太阳辐射强度小于南向

通过以上分析，我们就知道了为什么南向的房间会冬暖夏凉，而东、西向的房间相比南向的房间则冬冷夏热。

现在有很多同学去过南北极考察，在极地生活也会遇到同样的问题。比如在极地的夏季，太阳一直在距地面20多度的高度上水平旋转（在极点夏至时太阳最高距地面23.5°）。太阳对于地面的照射虽然全天都有，属于斜射，所以地面环境温度并不算高。对于垂直于地面的物体，例如墙壁、窗户、人体而言，就是近乎直射，所以会在局部产生很高的热量，甚至灼伤。

例如夏季在极地的野外，人们虽然身穿羽绒服，依然感觉很冷，阳光晒到脸上或裸露的皮肤上基本没有烤和热的感觉，但却能在很短的时间里发红、变黑、有灼伤感。居住在极地地区的渔民也有常识，他们自制的木质渔船是用胶粘合的，船帮接缝处的胶在夏季经常会被烤化。他们的木屋墙壁涂的油漆在夏季也经常被烤化。所以，我们如果在极地居住，搭建一所密闭、圆柱形、垂直面透光的玻璃房，应该是比较合理的选择。

最后，给同学们留下一个思考的问题：你能设计一个在某地铺设太阳能电池板的方案吗？

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