正午太阳高度的纬度分布规律及其推广应用

2013-07-05湖南省永州市第一中学425100陈保钢

地理教学 2013年21期

湖南省永州市第一中学（425100）陈保钢

太阳高度和正午太阳高度都是高中地理教学中的重点和难点内容，是需要认真研究分析的部分。

一、正午太阳高度的纬度分布规律及年较差

太阳高度角是指太阳相对于地平面的高度角，正午太阳高度角就是一天中的最大值，直射点上的太阳高度角为全球最大值，即为90度。昼半球上的太阳高度角自直射点开始向四周呈同心圆式递减[1]，晨昏线上的太阳高度角等于零度，昼半球上的太阳高度角大于零度，夜半球上的太阳高度角小于零度。

现行人教版高中地理必修Ⅰ教材中说，“同一时刻，正午太阳高度由太阳直射点向南、北两侧递减。夏至日，正午太阳高度由北回归线向南、北两侧递减；冬至日，正午太阳高度由南回归线向南、北两侧递减；春分日和秋分日，正午太阳高度自赤道向两极递减。”根据这些说法，笔者觉得关于“正午太阳高度的纬度分布规律”的表述，该教材前后不十分一致，显得很累赘。

经线是连接南北两极的半圆弧，同一根经线上的地方时相同，太阳直射点所在的经线就是正午经线，某地正午时的太阳高度角就是当日最大的太阳高度角。当直射点位于赤道上时，全球各地昼夜平分；当直射点不在赤道上时，两极地区就会有极昼和极夜的区别。如下图1所示，正午太阳高度从直射点P开始沿正午经线往南、北两侧逐渐递减，往北直到北极，往南直到南极，极昼区的正午经线上太阳高度大于零，极夜区的正午经线上太阳高度小于零，北极点和南极点上的太阳高度角都分别是当日北半球和南半球最小的正午太阳高度角。何谓极夜？就是这个区域的正午太阳高度角不大于零，该区域内的纬线全都是夜弧，连续不小于24小时的时间内，太阳都在地平面以下；何谓极昼？就是这个区域的子夜太阳高度角不小于零，该区域内的纬线全都是昼弧，连续不小于24小时的时间内，太阳都在地平面以上。所以，无论太阳直射点在哪个纬度位置，都有“同一时刻，正午太阳高度从直射点开始向南、北两极递减”这样一种纬度分布规律存在。亦即，当太阳光直射北回归线时，正午太阳高度由北回归线向南、北两极递减；当太阳光直射南回归线时，正午太阳高度由南回归线向南、北两极递减；当太阳光直射赤道时，正午太阳高度就由赤道向南、北两极递减。依据正午太阳高度的纬度分布规律我们知道，极点上全年的最大正午太阳高度角是23°26′，最小值是-23°26′。因此，我们可绘制出如图2所示的“全球二分、二至日正午太阳高度角的纬度分布及年较差分布图”，图中a、b、c线分别是阳光直射点位于南回归线上、赤道上、北回归线上时的正午太阳高度角的纬度分布，a、c两线之间的阴影部分就是正午太阳高度角的年较差。

图1 正午经线上太阳高度角的分布图

图2 全球二分、二至日正午太阳高度角的纬度分布及年较差分布图[2]

根据图2所示的规律以及正午太阳高度角的计算公式，我们知道正午太阳高度角的年较差，全球可以分为两个纬度区域讨论，即区域一为“南、北回归线之间的热带区域”、区域二为“纬度不小于23°26′的温带和寒带区域”。目前的黄赤交角约为23°26′，所以，南、北回归线的纬度就分别为23°26′S、23°26′N，两者之间的纬度差就约是46°52′。赤道上的正午太阳高度全年最大值是阳光直射时的90°，全年最小值是阳光直射在回归线时的66°34′，因此正午太阳高度的年较差就是23°26′；而回归线上的正午太阳高度全年最大值是阳光直射时的90°，最小值是阳光直射在另一半球的回归线时的43°08′，年较差是46°52′；纬度高于23°26′的广大区域，正午太阳高度的值是（90°－当地与直射点之间的纬度差），夏季时较大，冬季时较小，冬夏两至的年较差亦为46°52′。因此全球各地的正午太阳高度角年较差，自赤道到回归线之间介于23°26′与46°52′之间，越接近赤道，年较差越接近23°26′；自回归线直到极点，年较差均为46°52′的定值。在极圈与极点之间的区域，当出现极夜现象时的正午太阳高度不大于零，其余时间的正午太阳高度不小于零。

二、正午太阳高度的推广应用

1. 地球表面同时经过太阳直射点的大圆有很多，正午经线就是其中一特殊大圆上的一半，沿着正午经线，从直射点开始向南、北两极的正午太阳高度逐渐减小。同样道理，在过直射点的任意一条大圆上，昼半球内的太阳高度角自直射点开始向两侧递减，直到与晨昏线圈的交点上太阳高度角等于零度。那么，借助正午太阳高度角的原理与计算公式，就可求得昼半球上的任意一处的太阳高度角，其值就等于过该地与直射点两者的大圆上的圆心角的余角。用公式表达就是H＝90°－该地与直射点之间的大圆上的圆心角。当H＝0°时就在晨昏线上，H＞0°时就在昼半球上，H＜0°时就在夜半球上，H＝90°就在直射点上。因此，昼半球上与太阳直射点的距离相等地点的太阳高度角就相等，其值随着该地与直射点之间的圆心角的增大而递减，其规律是自直射点开始向四周呈同心圆式递减，如上图3所示的阳光直射赤道上某地A时的昼半球上各地的太阳高度角分布，图中各数字表示昼半球上的太阳高度角，横线表示赤道，竖线表示经线。

图3 阳光直射赤道时的昼半球太阳高度分布规律示意图

2. 在极昼区的子夜经线上，太阳高度角大于零，其值的大小也可以根据正午太阳高度角的计算原理和公式求得。如下图4所示的B地为直射点，A地此时为极昼区内的子夜时分。则A地此时的太阳高度角的计算，根据计算公式可表达为H子夜＝90°-（φ-δ）-2（90°-φ），即H子夜＝φ＋δ-90°。公式中的H子夜表示极昼区内的A地子夜太阳高度角，φ表示所求地点的A地地理纬度，δ表示太阳直射点的B地地理纬度。