为什么太阳全年运行轨迹是8字型
龙玲
美国国家地理频道2010年12月28日发出的一则新闻
Sun Pictures: A Full Year in a Single
Frame 引起了众多天文爱好者的瞩目，其中西班牙摄影师Juan Carlos Casado
以伊比利亚半岛西班牙境内的Cap de Creus 国家公园一地为背景合成制作的太阳全年相对运行轨迹图是我的最爱。摄影师在Girona
由2003年03月开始至2004年03月结束，坚持每隔7天固定在早上9:15，相机以一固定角度拍摄天空中的太阳，最后将全年53周的图片完美整合在一起
新浪博客
，成就了现在这张无与伦比的绝色图片。
（图片来自Nationalgeoeographic）
Girona
位于北纬41°54′，同中国吉林省东南部的白山市位于同纬度线上，是北回归线（纬度23°26′）更北的地区。用瑞士日内瓦大学开发的PVSYST
光伏系统软件、以及doubletree 编写的计算程式，选定早上9
时左右，计算得到了与摄影师合成图片极其相似的8字型结果。
因为我们没有像观察家在这个事情上付出同样的耐力和热情，所以看到的一般现象是：太阳从东边升起由西边落下；夏天的时候感觉太阳离地面的高度比冬天要高；如果有去西北方向旅游，对比东部城市会发现太阳起得比较晚，晚上也天黑得比较晚。
在解释现象之前，首先应当认识到地球其实是个梨型体，为了简化分析，人们将之形状假设成为一个正圆的球体。将地球的南北极顶点相连，地球平日就是沿着这个假想的地轴自西向东逆时针的旋转运动。另外，由于太阳离地球很远，再加上观测点的研究地域范围相对于前者的距离很小，所以太阳光近似地被看为是平行照射地球的。
地球自转时，太阳光只能照到球的一半，面向太阳的地区是白昼，背对太阳的则是黑夜，因此固定在生活在某一地（南北极地区除外）时，只要是晴天，就能看到日出东方、夕阳西下昼夜交替的自然场景。
沿地球中心假想的赤道面，切成两半，含北极、陆地比较多的半球为北半球，含南极、海洋面积较大的定义为南半球。
（图片来自百度）
西班牙和中国都位于北半球，在北半球的城市，观察的现象是夏天的太阳在天空的位置比冬天高，这是因为地球除了自转，还要年复一年地自西向东围绕着太阳旋转，地轴与这个旋转轨道面（黄道平面）始终保持66°34′的夹角，夏至6月22日，太阳光直射地球点位于北纬23°26′，这个纬度线称之为北回归线，冬至12月22日时，太阳直射点对准的是南回归线，此时在北半球的观测点看到的现象是太阳比夏天的位置低。太阳光水平照射地球纬线的最短光束即指太阳的直射点，始终是往返于南北纬回归线之间，往返一次耗时一年。倘若地球没有倾斜，而是保持与黄道平面垂直的情况下公转，可以想象地球上不会出现春、夏、秋、冬四季交替的现象。
（上、下图片来自百度）
地球不仅自西向东自转，还要围绕着太阳自西向东公转，因此在中国的东部城市看到日出的时间会早于西部，同理日落的时间也自然会早于西部。
回到Girona这张早上09:15的“8”字轨迹图，根据上述地理知识可分析出，图中8字最顶端的黄线表示太阳照射北回归线的位置，即一年的夏至日；末端红色为照射南回归线的日子，为冬至。与红黄线等距离的绿线，穿过的是春分和秋分两点。圈出8字中心交叉点，代表在由进入夏天一天和转入秋季的一天观测到的太阳相对的方位与高度一样，该点位于春秋分线之上。另外，再给这个8添加一根中心白线，观察到的现象是中心左右对称。
（标识后的截图）
那8字轨迹又是如何计算出来的呢？它的数学思路是，先弄清观测点所在的地理经纬度，一旦确定即能知道该点在地球的准确位置，接着同样是依照摄影师的方法，选定一年中固定时间间隔的相同时间点，比如09:00，以角度的方式标定太阳直射点与观测点相对的方位和高度，最后将若干个计算点在一个平面上用虚拟的线连接起来。
我很好奇南纬同样41°54′城市，同样在早上09:00左右，在此地看到的太阳全年相对运行轨迹又会是什么样呢？因为没有来自南纬国家的摄影图片，所以取两张南北纬的计算截图进行同步对比，结果发现北纬的8是上小下大，而南纬的8是上大下小。
（PVSYST计算截图）
再选四个典型城市，与Girona
组成一系列的关于09:00太阳相对运行轨迹比较。下图是计算截图，A-E 由北往南依次为，俄罗斯莫斯科(A
北纬55.8°)、西班牙Girona(B 北纬41°54′)、越南河内(C 北纬21°)、新加坡（D
赤道附近）、马达加斯加岛的Tananarive（E 南纬18.9°）、新西兰Wellington（F
南纬41°54′）。由图可以看到，南北地区的8字变形趋势是：越往两极走，8字越立，越接近赤道，8字几乎倒置。北半球8字是上小下大，南半球的8是上大下小。
将以上城市09:00 计算所得的8字轨迹图经合成处理后，趋势清晰地表现如下：（武磊斌合成处理）
造成8字上下体积不一的原因是，太阳不在地球公转的椭圆轨道中心。假设存在以太阳为正中心无论沿圆形或椭圆形轨道旋转的行星，那么在它任意点观测的8字肯定是上下相等的，不过前提要保证它的自转轴与旋转面存在一个固定的夹角。
分析快要结束的时候，你是否发现计算的8字似乎并不像文章前面给出的“标识后截图”那样呈现出沿白色中线左右对称的情况？这又是什么原因呢？难道是计算误差？当然不是。问题的根本在于地球是以一个椭圆轨道绕太阳转动的，太阳并非在椭圆轨道正中心，而是处于一个靠右的焦点上，将地球看作为半径为1的单位圆点后，在轨道上离太阳距离最近的位置称之为近日点，离太阳最远的点为远日点。地球抵达近日点的时间大约是1月初，它与冬至时间间隔约2个星期，远日点大约时间是7月初，与夏至日间隔也有2个星期左右，虽然都是2个星期，但靠近近日点的轨道上，地球运转速度较快，远日点附近相对于近日点的地球运转速度慢很多，以至于出现最后走出的8字左右不对称的情况。
（图片来自百度）
来看一张，维基百科给出的一张英國格林尼治天文台（北纬51.5°、经度0°）在2006年期间每天中午12:00观测到的太阳位置分析图，左图为8字原形，右图是将横坐标宽度大幅放大后得到的，其中黑色点为每个月的第一天，从上自下的绿色点依次为夏至、春分、秋分、冬至，从放大的右图
中，可以清晰地可以看到左右部份不对称的8字，此时不妨再回头去仔细看看Juan
Carlos Casado 摄影师那张合成图片。
左、右图片均来自维基百科）
最后呈现一张完整的关于Girona全年各时间准点下太阳运行轨迹计算图送给继续在看本文的读者。图中横坐标表示太阳方位角、纵坐标表示太阳高度角，横坐标向左表示日出的东边，向右表示日落的方向。夏至线上标注的6~19h
表示钟表的整点时间。其他城市每个月每个时间点的轨迹，可以根据上述8字的走势进行推测。
相关主题阅读
1.
概要：Sun Pictures: A Full Year in a Single Frame 的原文，其中有好几个摄影师的合成太阳轨迹图，不过这些拍摄点都在北纬地区；
2.
概要：维基百科中解释的日行迹，也就是文章探讨的太阳全年相对运行轨迹。
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概要：Sun Pictures: A Full Year in a Single Frame 的原文，其中有好几个摄影师的合成太阳轨迹图，不过这些拍摄点都在北纬地区；
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