1-7 太陽的運行

2. >  1-7.1 不同季節的太陽運行軌跡

我們知道地球表面的四季變化是因為太陽照射的角度變化所造成,究竟在一年四季中,太陽的運行有什麼不同,我們先來觀察看看。請同學先開啟Stellarium的軟體,把時間調整到白天,然後讓時間以分鐘或小時為單位前進,觀察太陽的運行(圖1-77)。我們可以發現,以分鐘或小時為單位讓時間快轉時,太陽會明顯地東昇西落,並繞行天北極逆時針旋轉,和恆星的周日運動規律相當一致。

圖1-77A 臺灣地區2022.06.21 6:30到18:00之間,太陽在空中的位置變化。(網頁版Stellarium畫面)

圖1-77B 臺灣地區2022.06.21 6:30到18:00之間,太陽在空中的位置變化。(網頁版Stellarium畫面)
圖1-77C 臺灣地區2022.06.21 6:30到18:00之間,太陽在空中的位置變化。(網頁版Stellarium畫面)
圖1-77D 臺灣地區2022.06.21 6:30到18:00之間,太陽在空中的位置變化。(網頁版Stellarium畫面)
圖1-77E 臺灣地區2022.06.21 6:30到18:00之間,太陽在空中的位置變化。(網頁版Stellarium畫面)

接著,我們以「日」為單位,觀察太陽每天同一個時間的位置變化有什麼規律性。觀察後我們會發現,每隔一日的同一個時間,太陽的位置並不會偏西或偏東,而是往南或往北偏移(圖1-78)。這樣的變化雖然也會在一年之後回到原來的位置,但明顯和恆星運行的周年運動規律不同。如果太陽每天同一時間在空中的位置會有南、北方向的偏移,那麼一年當中不同的日期,太陽運行的軌跡可能也不盡相同。

圖1-78A 臺灣地區2022.04.21 8:20到06.21 8:20之間,太陽在空中的位置變化。(網頁版Stellarium畫面)

圖1-78B 臺灣地區2022.04.21 8:20到06.21 8:20之間,太陽在空中的位置變化。(網頁版Stellarium畫面)
圖1-78C 臺灣地區2022.04.21 8:20到06.21 8:20之間,太陽在空中的位置變化。(網頁版Stellarium畫面)

為了觀察太陽在一年中不同日期的運行軌跡差異與變化,請同學先比照前一個小節我們繪製恆星運行軌跡的方式,來繪製不同季節太陽的運行軌跡。繪製流程如下:

  1. 同一組的同學可以先分工,每個人負責畫一個季節的太陽運行軌跡,畫完之後再和同一組的其他同學一起觀察四季的太陽運行軌跡有什麼不同。
  2. 請組員分配以下四個季節所對應的日期:春(3/21)、夏(6/21)、秋(9/21)、冬(12/21)。
  3. 同學根據自己分配到的季節,經Stellarium的日期調整到對應的日期。
  4. 將時間前進或倒轉,把太陽在:東邊地面附近升起的位置、到達子午線上的位置、西邊地面附近落下的位置(圖1-79),標示在空白的方位角和仰角網格上(圖1-80)。
  5. 如果地景會擋住太陽升起或落下的位置,可以將地景的功能關閉(網頁版在畫面正下方,手機版在畫面左下方選單)。
  6. 繪出太陽運行的立體軌跡(圖1-81)。
  7. 比較不同季節的太陽運行軌跡(圖1-82、圖1-83)。
圖1-79A 2022.09.21太陽日出、正午及日落的位置。(網頁版Stellarium畫面)
圖1-79B 2022.09.21太陽日出、正午及日落的位置。(網頁版Stellarium畫面)
圖1-79C 2022.09.21太陽日出、正午及日落的位置。(網頁版Stellarium畫面)
圖1-80 2022.09.21太陽日出、正午及日落的位置,描繪在方位角和仰角的網格上。
圖1-81 2022.09.21太陽的運行軌跡。(修改自泰宇版地球科學教科書)
圖1-82 不同季節,太陽升起、達到最高點及落下時的仰角及方位。圖中黑點(A1、B1、C1)代表春分(3/21)及秋分(9/21)當天的太陽升起、達到最高點及落下時的仰角及方位。紅點(A2、B2、C2)代表夏至(6/21)當天,藍點(A3、B3、C3)代表冬至(12/21)當天。
圖1-83 不同季節太陽運行立體軌跡。同中黑點、紅點與藍點所代表的意義,與圖1-82相同。(修改自泰宇版地球科學教科書)

從以上的觀察結果可以發現,太陽在一年中的不同日期,運行軌跡並不相同(圖1-83)。依照前面所指定的四個日期,其中以夏至當天太陽的運行軌跡最偏北,由東偏北的方向升起,最高點會抵達天頂附近,然後落在西北方地面。春分和秋分是從正東方升起,運行的最高點是在子午線偏南的方向,日落則是在正西方的地面。冬至當天的太陽運行軌跡最偏南,日出由東南方升起,正午時最高點只有達到子午線南方,仰角大約45°的空中,並落入西南方的地平線之下。

太陽運行的規律雖然也是以一年為週期變化,但明顯與其他恆星的周年運動規律不同。這是因為除了地球自轉使得太陽看起來每天東昇西落之外,伴隨著地球自轉同時的公轉,太陽在天空中的位置每天都會有些微的改變。接下來我們就來看看,地球繞日公轉究竟如何影響我們觀察到太陽運行軌跡和日夜常不同。

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