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用太阳判断方向

2017-04-20 19:38阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1450761522

用太阳判断方向
不久前，在网上看到一篇关于特种兵野外生存训练的文章，里面提到一种利用太阳判断方向的方法：用一根直标杆,使其与地面垂直,把一块石子放在标杆影子的顶点A处；过大约10分钟,标杆影子的顶点移动到B处时再放一块石子,将A、B两点连成一条直线,这条直线的指向就是西东方向,与AB线垂直的方向是南北方向。
通过搜索，还可以找到另外两种利用指针式手表对着太阳判定方向的方法：
1.手表水平放置，将时针指示的（24小时制）时间数减半后的位置朝向太阳，表盘上12点时刻度所指示的方向就是概略北方。假如现在时间是16时，则手表8时的刻度指向太阳，12时刻度所指的就是北方。即“时钟折半对太阳，零点位置指北方”。
2.观察太阳的位置，将手表的时针（短针）对准太阳的方向。此时时针与手表12
点位置构成的角取角平分线，角平分线指示的方向就是南方。
从搜索结果来看，这些方法转载、转贴的很多，流传甚广；而在半个世纪前的军体教材里就看到过这些方法，可谓由来已久。
在进一步的思考和研究之后，我发现，这些方法在实际应用中存在着不少问题，如果使用不当，做出的判断与实际方向的偏差，足以超出我们可以接受的程度，有必要做详细的分析和了解。

一.用投影的运行轨迹判断方向（轨迹法）
也就是文章开头提到的方法：用一根直标杆,使其与地面垂直，把一块石子放在标杆影子的顶点A处；过大约10分钟，标杆影子的顶点移动到B处时再放一块石子，将A、B两点连成一条直线，这条直线的指向就是西东方向，与AB线垂直的方向是南北方向。
投影轨迹法的基本原理，就是我们的日常生活经验，太阳每天东升西落，自东向西运行，相应的，标杆顶端的影子轨迹也就应该从西往东走。但实际上，一年的绝大多数日子里，杆顶在地面的投影运行的轨迹，是一条双曲线（中国范围内），而并非一条东西直线，不可能在这条曲线上随便截取一小段，就是准确的东西方向，误差是必定存在的。
既然轨迹法的基础是太阳的东升西落，在容易观察到太阳东升西落的低纬度地区，这个方法是比较适用的，误差也小。但在高纬度地区，就不适用了。一个极端的例子，在高纬度地区的夏季，会有极昼，太阳不是东升西落，而是在四周绕圈转，这时标杆顶端在地面的投影是一个椭圆，而接近极点的地方，投影轨迹甚至接近圆，你不会认为从圆或椭圆上随意截取一小段，指示的都是东西方向吧？即便不是极昼，误差也会大到无法接受。
用轨迹法判断方向，产生误差大小的基本规律是：太阳直射纬度越低，误差越小，直射纬度越高，误差越大；观测者所处纬度越低，误差越小，纬度越高，误差越大。以季节和日期来说，距离春分日或秋分日越近，误差越小，春秋季误差小，冬夏季误差大，尤以冬季误差最大；以一天内的时间来说，越接近中午12点（地方时），误差越小，越远离12点，误差越大。
季节和日期直接决定着太阳直射地球的纬度，是影响轨迹法误差大小的首要因素。只有在太阳直射赤道的日子，即春分日（3月21日）和秋分日（9月23日）这两天，标杆顶端在地面的投影轨迹才基本是一条东西直线，全天任何时刻用本方法判断东西方向都是准确的。只要观测时离春分或秋分日不太远，误差就不会很大。
在一天内不同的时刻（当地地方时），使用轨迹法测方向的误差是不同的，在12点左右用轨迹法，误差为0，离12点越远，误差越大，尽可能不在早晨或傍晚使用此法。
观测者纬度也是影响误差大小的重要因素。纬度越低，越容易看到太阳东升西落，判断东西方向，误差越小，纬度越高，误差越大。纬度因素要与季节因素、时间因素结合使用，不要让那些误差大的因素同时起作用，即不要在冬季的早晨或傍晚，在高纬度地区使用轨迹法，在高纬度地区，只在春分日或秋分日前后用此法，或者只在中午用此法。
下面的图表列示了在不同纬度不同季节上午9:00-9:12用投影轨迹法测定的方位与实际方位的偏差。 用太阳判断方向
从表中可以看出，在20纬度以下地区，即使冬至，误差也只有19.7度，可以接受，在30纬度，冬至误差22.8度，也算可以接受，所以纬度30以下的地区基本全年都可以用轨迹法判断方位。
在40纬度地区（如北京即北纬40度），冬至误差达27.9度，偏大了，一般不宜使用，而春夏秋三季的最大误差不过18.2度，可以使用。
在50纬度地区，冬至误差达36.6度，立春及立冬前后误差也达23.3度，所以最好只在雨水到霜降之间的8个月里，即2月19日---10月22日之间的8个月用轨迹法判断方向。
网上说投影轨迹法要求用直的标杆，且与地面垂直，这种说法是错误的。因为我们看的仅仅是标杆的顶端这个点在地面的投影，并不看标杆本身，杆是直是弯，是不是垂直于地面，又有什么关系？再设想一下，我们把一根弯曲的树枝斜插地面，从树枝的顶端向地面吊一根垂线，我们以这根垂线做标杆，显然完全符合要求。那么垂线标杆的顶端，与弯曲树枝的顶端，其实是同一个点，吊不吊垂线，顶端都是那个点。所以，只要是空中一个确定的点，不管是枝头，树梢，还是扎在树干上的刀柄，或是其他什么东西，只要这点在地面的投影清晰可辨，都可以从其运动轨迹来判断方向，无需什么标杆。
有时候，我们迷失方向的地方，连树木或树枝也没有，比如荒漠，又该怎么办？这时如果身上有一根长点的线绳，就可以做一根“软标杆”----线绳下端拴一个小物件，用来吊垂线。接近线绳上端处，可以打个结，或做个记号，每次使用都捏在那里，确保吊线的长度固定。侧向时先在地上找个固定点O，让垂线下端的影子与O点重合，看垂线上端的投影在哪里，做记号1，过十几分钟后，用同样方法再测一次，还让垂线下端的影子与O点重合，在垂线上端的投影处做记号2，两次记号的连线就是东西方向。
如果连线绳也没有，那我们只好用自己的身体做根标杆。背对太阳，立正站直，两臂伸直从两侧上举，掌心相合，指尖处于全身最高处，整个人体就成为一根长达2米多的标杆，看指尖在地面的投影在何处，做个记号；过上十几、二十分钟（建议时间长一点），站在原处再做一次，看指尖投影移动到了何处，两次指尖投影的连线就是东西方向。使用此方法需注意几点：1.两次必须站在同一位置。2.身体务必立正站直，不要东倒西歪。3.只在人影较长时使用，临近中午，人影较短时不宜使用。4.为减小误差，两次的时间间隔不要太短，最好能到20分钟。
人体标杆可以简化，背对太阳站直后，右臂抬起，右掌心正压头顶百会穴，手掌放平，指尖向左，看右手指尖在地面的投影位置，做好标记，过十几二十分钟后再看一次，两次指尖投影点连线就是东西方向。
在临近中午，人影较短时，人体标杆就不适用了。不仅因姿势变化而导致的误差会增大，指尖的投影说不定也会被自己的身体挡住。这时可采用下面的办法：立正站直，左侧朝着太阳，在自己正前方寻找一个容易辨识的点P，比如一块石头，或者是自己放置的小物件，左臂伸直向前抬起，左手握拳，拳心向下，伸出拇指，让单眼的视线通过左手拇指尖正好落在点P，即眼、拇指尖、点P三点一线，保持姿势，看拇指尖在地上的投影1，过一段时间，站在原处，用同样的方法找出拇指尖在地上的投影2，两点连线2----1就是东西方向。之所以让眼、指尖、点P三点一线，是为了保证拇指尖在空中的高度和位置是确定的。
二.看太阳的方位和时间来判断方向（太阳方位法）
太阳方位法，也就是前面说的用指针式手表和太阳方位判断方向的方法，这里不再重复。
首先要指出的是，这是一种更适用于高纬度地区的辨向方法，在中低纬度地区只能在有限的季节段使用。
地球每24小时自转一周360度，每小时转过15度，每4分钟1度。在北极点的极昼期，立一根垂直的标杆，在水平投影面上就可以清楚地看到每小时匀速转过15度的现象。在投影面上标上刻度，就可以当太阳时钟使用，当然，是一圈24小时。北极的水平面是与赤道平面平行的，标杆方向也与地球自转轴相重合。在地球上其他地区，只要设置一个与赤道平面平行的投影面，在投影面上立一根与地轴平行的直杆，同样可以看到杆影每小时匀速转过15度，这就是日晷，即太阳钟，人类使用了几千年的计时方法，用太阳方位来判断方向，即由日晷原理衍生而来。
在北极，四方都是南，没有其他方向，在不同时间，太阳方位在不同的经线上。如果在时间0点时，把时钟或手表上的12对准太阳，经过n小时后，太阳转过了n*15度，由于时钟盘面上只有12小时，每小时对应30度，所以n小时后太阳的方位应该在时钟上n/2点的方向上。稍离开北极点后，就有了东西南北方向，但太阳的方位仍基本是匀速转动，这时时钟盘面就可以当罗盘来使用。中午12点，太阳应在正南， 24点，太阳正北，早6点，太阳正东，18点，太阳正西。我们可以算出任何时间太阳应该所处的方位，进而用于判断方向。我们也可以直接把时间的一半对准太阳后（即例如14点时把7对准太阳），12点方向即为北方。这就是前面的方法1。
方法2也是同一原理，如果12点时太阳在正南，那么实际时间每与12点相差1小时，太阳方位就与正南相差15度，但由于钟表盘面上1小时对应30度，所以把实际时针与12点夹角的角平分线对准太阳，12点指的就是正南方向。或者，把时针对着太阳，时针与12点夹角的角平分线指的就是正南方向。
现在戴指针式手表的人已经很少了，而如果理解了用太阳方位判断方向的基本原理，则根本无需用钟表，只要能算出太阳所在的方位即可。比如下午4点钟，与中午12点相差4小时，太阳应该在南偏西60度方向，我们调整自己的面朝方向，让太阳在我们的前方偏右60度方位，我们面对的就是正南方。
太阳耀眼，不能直接看，可以用线绳吊根垂线，垂线在地面的投影可以准确指示太阳方位；也可以用树干的影子看太阳方位。
前面说的方法主要适用于高纬度地区。随着纬度降低，该方法的误差及适用条件都会变化。尽管正午12点太阳还是正南（北回归线以北，且是地方时），但别的时间太阳的实际方位，与理论计算值的偏差可能会很大。
在北回归线以南地区，夏季前后太阳直射纬度可能会高于观测者所在纬度，那时太阳全天都不可能在偏南方向，而是早晨从东北方升起，中午运行到正北，下午在西北方落下。
下面两表是夏至日（6月22日）和立夏日（5月7日）在不同纬度地区上午7---11点太阳实际方位与理论计算值的偏差： 用太阳判断方向 用太阳判断方向
立秋日的太阳直射纬度，与立夏日基本相同，所以这2表可以反映整个夏季的误差情况。从表中可以看出，纬度越高，误差越小，随纬度降低，误差逐渐增大。在60纬度以上，误差最多不过十几度，宜于使用；但50纬度以下，误差已经达到难以接受，不宜使用。由于中国最北端的漠河纬度也才53度，所以在夏季，中国绝大多数地区都不适用太阳方位法。
以下2表是立春日（2月4日）和冬至日（12月22日）不同纬度地区上午7---11点太阳实际方位与理论计算值的偏差： 用太阳判断方向 用太阳判断方向
中国绝大部分陆地都位于北纬20---50度之间，所以表中只列出了从北纬20---50度之间的偏差情况。从表中数据可以看出，整个冬季用方位法判断方向的最大误差不过-12.6度，这完全可以接受。
通过计算对比，得到的结论是，只有当观测者所在纬度与太阳直射纬度相差30度以上时，用太阳方位判断方向的误差才在可以接受的范围（±20度）内。所以
在北纬20度及以上地区，只有在冬至前后各2个月里（共

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