地理教学中关于日出日落方位的探讨

刘 运 明

(安庆师范学院 资源与环境学院, 安徽 安庆 246133)



地理教学中关于日出日落方位的探讨

刘 运 明

(安庆师范学院 资源与环境学院, 安徽 安庆 246133)

摘要：在高等师范院校地理教学实践中，有关日出日落方位是一个较难理解且经常被学生提到的问题。本文首先对教材的基本概念如方位、圆圈系统等进行梳理，结合地球的自转和公转，对日出日落方位进行了阐述和推理，详细地说明了为何夏半年日出东北、日落西北，冬半年日出东南、日落西南的问题。最后，运用球面三角的方法，对日出日落的准确方位进行了计算并分析了与日出日落方位有关的要素。

关键词：方位；日出日落；地理教学

日出日落方位无论是在中学地理教育还是在大学地理教育当中都是非常重要的内容，也是教学难点问题。教学过程中，很多学生对日出日落方位不甚理解，如作者经常被问的一个问题是，为何春分后太阳东北升西北落，秋分后东南升西南落？产生这一疑问的主要原因在于学生对日出日落方位涉及的基本概念没有牢固掌握并灵活运用。翻阅日出日落方位方面的论文，虽有多人做过这方面的讨论[1-3]，但一般结合普通高中练习题论述，内容过于具体，并没有从原理上对日出日落方位做探讨。

目前，高等师范院校地理科学(师范)专业大都开设《地球概论》课程，并且是专业必修课，该课程高校大都使用由金祖孟和陈自悟编写、高等教育出版社出版的《地球概论》作为教材[4]，该教材对基本概念讲解扎实明确， 通俗易懂，但可能出于篇幅的原因，对日出日落方位问题可以说是捎带即过，并没有做详细讨论。鉴于此，笔者从高等师范地理教育的角度，对日出日落方位的问题做一下探讨。

1方位的概念与日出日落

首先我们回顾一下地球概论教材的内容。方位的概念来自地平坐标系，是指某一点相对南点(一些教材定义为相对于北点[5])的方向和角距离，是以南点为基准顺时针度量的[4]。在《地球概论》教材中，地平圈上的四个基本点即是东南西北四个方位点，地平圈上四个基本点是根据地平圈和天赤道的关系来确定的，地平圈与天赤道的两个交点定义为东点和西点，与其相距90°的两个点为南点和北点。天赤道是唯一的，是地球赤道无限放大后与天球相割所得的大圆。地平圈有无数多个，根据观测者的位置而定。地球上的每一点，除对蹠点外，其所对应的地平圈都是不同的，但对于地球上某一个确定的点来说，其地平圈是唯一的，该地也就有固定的四个基本点。

一天中，太阳东升西落走过的轨迹(圆圈)叫做周日圈，太阳周日圈与地平圈的两个交点即日出日落的方位点，它们与地平圈上四个点之间的位置关系即为日出日落方位。太阳只有从东点升起、西点落下，我们说日出方位是东、日落方位是西。除此以外，日出方位都不可以称为东，日落方位也不可以称为西。只能是偏离东点和西点，从东南或东北升起，西南或西北落下。基于这一界定，我们就可以很好地理解日出日落方位了。

2两种运动与日出日落方位

这里讲的两种运动，一是地球的自转，即地球绕地轴的转动，另一个则是地球的公转，也就是地球绕太阳的转动。日出日落的方位及其变化是与这两种运动密切相关的。太阳的东升西落主要是地球自转引起(公转的贡献相对较小)。日出日落方位是变化的，这种变化是由于地球的公转引起的，地球的公转是日出日落方位变化的根本原因。在地心天球中，由于地球的公转，导致太阳的赤纬不断变化，太阳半年位于天赤道以南，半年位于天赤道以北，日出日落方位也发生变化。

那么如何判定日出日落方位呢？既然周日圈是太阳一天内走过的圆圈，我们可以首先来考虑太阳周日圈与天赤道之间的关系。地球的自转方向是自西向东的，天球上天体的周日运动方向与之相反，是自东向西的，表现为天体的东升西落(严格地讲，应该是东半天升起，西半天落入地平线)。天球上的太阳随着天球自东向西运动一周得到的周日圈与天轴(旋转轴)是垂直的，而天赤道与天轴也是垂直的，可见，太阳周日圈与天赤道之间的关系必定是平行或重合的(图1)。天赤道将天球划分为南北两个半球，当太阳位于南半球时，其周日圈必定平行于天赤道并位于天赤道以南，周日圈与地平圈的两个交点一个位于东点(E)和南点(S)之间，是日出的方位；一个位于南点(S)和西点(W)之间，是日落的方位。因此，当太阳位于南半天球时，日出方位是东南，日落方位是西南。当太阳位于北半天球时，其周日圈必定平行于天赤道并位于天赤道以北，周日圈与地平圈的两个交点一个位于东点(E)和北点(N)之间，是日出的方位；另一个位于西点(W)和北点(N)之间，是日落的方位。也就是说，当太阳位于北半天球时，日出方位是东北，日落方位是西北。在春分日和秋分日，太阳的周日圈与天赤道重合，日出方位是东，日落方位是西。

3日出日落方位的计算

以上是推理的方式讨论日出日落的方位，实际上，日出日落的方位是可以通过计算准确获得的。这里我们参照教材[4]上关于日夜长短的计算方面的内容，借助于球面天文的方法来获取日出日落的准确位置，如图2所示。

图2中，QWQ′E所组成的大圆为天赤道，NESW所组成的大圆为地平圈，与QWQ′E平行的小圆为太阳的周日圈，它与地平圈交于T和T′两点，分别代表日落方位和日出方位。P为天北极，E和W分别为东点和西点。要求日出方位，可以先求弧T′E的角度，也即弧TW的角度。通过P和T的大圆垂直于天赤道，也就是时圈，与天赤道交于O点，球面角∠TOW为90°，TOW围成的球面三角形为球面直角三角形。假设太阳赤纬为δ，某地的纬度为φ，则地平圈与天赤道的夹角为90°-φ，即∠TWO=90°-φ。弧TO实际上是太阳的赤纬δ，要求弧TW，可以运用球面三角形的正弦公式。在球面三角形TOW中，设弧TW=A，则

(1)

sin90°=1，化简得

(2)

关系式(2)是日出方位与太阳赤纬和地理纬度之间的关系式。(2)式表明，日出方位与地理纬度、太阳赤纬相关。要求日出日落方位，只要知道当地的地理纬度和当时的太阳赤纬即可。

特别地，

1)当δ=0时，则sinδ=0，A=0。

此时为春分日或秋分日，太阳的周日圈与天赤道重合，全球各地在春分和秋分时，日出方位均为正东方。在北极地区，地平圈、天赤道和太阳周日圈三者重合，太阳沿地平圈运动。

2)当δ=90°-φ≠0时，sinA=1，A=90°。

此时此地，日出和日落均在北点(N)，太阳永不落入地平线以下。在北半球，北极圈及其以北地区有此现象。

3)当δ>90°-φ时，sinA>1，关系式无意义。但此时该区经历极昼，太阳在地平线之上。

参考文献:

[1] 应淑英. 太阳方位和太阳高度的时空变化[J]. 读写算, 2013(4): 90-92.

[2] 赵军珂. 日出日落方位的变化[J]. 现代阅读, 2011(2):84-85.

[3] 袁平. 日出日落方位的判断及应用[J]. 考试周刊, 2012(20):136-137.

[4] 金祖孟, 陈自悟. 地球概论(第三版)[M]. 北京：高等教育出版社，1997:1-208.

[5] 宣焕灿, 萧耐园. 图解天文学[M]. 南京：南京大学出版社，2010:1-292.

Discussion on Azimuth of Sunrise and Sunset in Geography Teaching

LIU Yun-ming

(School of Resources and Environment Science, Anqing Teachers College, Anqing 246133, China)

Abstract:Azimuth of sunrise and sunset is a very important and difficult content which is often referred by the students during the lecturing of college geography. In this paper, the author reviews some basic terminologies and circles of spherical coordinates firstly. Combined with the earth rotation and the earth revolution, the principle of azimuth of sunrise and sunset is explained and illustrated. Detailed explanation is given on why sunrise from northeast and sunset from northwest during summer half year and sunrise from southeast and sunset from southwest during winter half year in northern hemisphere. Finally, spherical trigonometry is used to calculate accurate azimuth of sunrise and sunset. Declination of the sun and latitude of the studied area are two key influential factors to the change of azimuth of sunrise and sunset.

Key words:azimuth, sunrise and sunset, geography teaching

文章编号：1007-4260(2015)02-0140-03

中图分类号：G642.3

文献标识码：A

作者简介：刘运明，男，山东胶南人，博士，安庆师范学院资源环境学院讲师，主要从事河流地貌学方面的研究。

收稿日期：2015-03-08