對“赤道上太陽終年正東升正西落”的辨析

浙江省溫州市溫州中學（325014） 雷鳴

對“赤道上太陽終年正東升正西落”的辨析

浙江省溫州市溫州中學（325014） 雷鳴

由于赤道上全年晝夜等長，在高中地理“地球運動”部分的高考復習課中，經常發現一些地理老師認為“赤道上太陽終年正東升正西落”，并利用赤道上全年周日視運動圖示（如圖1）加以解析，甚至一些地理刊物也曾刊登有這樣觀點的文章。筆者認為這是他們對赤道上日出、日落時太陽方位的判斷依據存在重大疏漏，現從以下三個方面進行辨析。

圖1

一、太陽周日圈會相交嗎？

天空呈球形，這是有目共睹的。天空看起來像個球面，人們就把廣漠的宇宙當作球體看待，并把天體在天空中的視位置，當作它們的真實位置。這樣一個假想的球體，叫做天球。天文上定義的“天球”是以地心為球心，以任意遠為半徑的一個假想的球體。它是用作表示天體視運動的輔助工具。天球上基本的圓和點主要有：①地平圈是通過地心，且垂直于當地鉛垂線的平面的無限擴大，同天球相割而成的天球大圓。它把天球分成可見和不可見兩部分。地平圈的兩極是天頂和天底。②天赤道是地球赤道平面的無限擴大，同天球相割而成的天球大圓。天赤道分天球為南北兩半球。它的兩極叫天北極和天南極。天球上的“緯線圈”叫赤緯圈。天球上的“緯度”即赤緯值。

我們知道，地球自轉所產生的結果，最明顯的是天球的周日運動。地球自西向東自轉，在地球上的觀測者看來，地外的天空以相反的方向和相同的周期旋轉，這就是天球的周日運動。

一般說來，恒星作為天球上的定點（不考慮其自行），其周日運動是地球自轉的單純反映。它從如下三個方面具體反映地球自轉的情況（如圖2）：①恒星周日運動的路線（周日圈），都以南北天極為不動的中心。②天和地的關系，猶如球面與球心的關系，周日運動的方向同地球自轉方向相反。天體的東升西落，說明地球自西向東自轉。③恒星周日運動的周期（恒星日）和（角）速度，如實地反映了地球自轉的周期和它的角速度。顯然，某地所有恒星的周日圈互相平行，并與天赤道平面平行。

圖2 北半球某緯度的天球周日運動

不同天體的周日圈位置關系還可以通俗一點去分析：地球表面上的某定點隨地球自轉一周的路線即是該點的緯線圈。同樣的道理，恒星作為天球上的定點，其周日運動的路線（周日圈），也是該恒星所在的赤緯圈。因此，某地所有恒星的周日圈互相平行，并與天赤道平面平行。

圖3

圖4 北極的天體周日運動

圖5 赤道上的天體周日運動

由于地平圈是通過地心，且垂直于當地鉛垂線的平面，其兩極是天頂（即天頂到地平圈的角距離為90°）和天底。顯然，地心（O）、某地（A）和天頂（Z）在同一直線上（如圖3）。又因天赤道是地球赤道平面的無限擴大，同天球相割而成的天球大圓。因此，如設某地（A）的地理緯度為θ，則當地地平圈平面與天赤道平面的夾角為（90°-θ）。由此可知，北極點上地平圈平面與天赤道平面的夾角為0°（即兩平面重合），其天體周日運動如圖4所示；赤道上地平圈平面與天赤道平面的夾角為90°（即兩平面垂直），其天體周日運動如圖5所示。

太陽是天球上的一個特殊天體，一方面與其它天體一樣以南北天軸為中心作周日運動，即我們平常所看到的太陽東升西落現象。另一方面由于地球的公轉，在地球上觀測者看來則是太陽沿黃道（地球公轉軌道無限延伸同天球相割的大圓）向東在恒星中穿梭，其周期為恒星年，這就是太陽的周年運動。太陽東升西落的周期，即我們平常說的晝夜變化，實際上是太陽周日運動和周年運動的會合周期，我們稱之為太陽日（實際上是真太陽日，這里不考慮真太陽日與平太陽日之分）。太陽日的長度是24小時，也就是說太陽連續兩次上中天的時間間隔是24小時。簡言之，由于黃赤交角的存在，使太陽周日運動的周期比其它恒星多3分56秒。

由于太陽赤緯值（太陽在天球上的“緯度”）變化于正負23°26′之間（地球上就是太陽直射點在南北回歸線之間移動），因此太陽的周日運動每天都有不同的周日圈（如果考慮一天之內的太陽赤緯值變化，則其周日運動軌跡實際上是螺旋線）。同時，所有太陽周日圈相互平行，并與天赤道平面平行（如圖6）。更簡略一點還可以這樣推測：赤道上一年內隨著太陽直射點的變化，引起太陽在天球上赤緯的變化，不同的赤緯就有不同的太陽周日圈（太陽的周日圈就是某日太陽所在的赤緯圈）。這種情形類似于赤道上某日不同天體的不同周日圈（如圖5），即把赤道上一年內太陽的不同周日圈看成赤道上某日不同天體的周日圈。因此，圖1示意的赤道上全年太陽周日視運動，表明赤道上一年內的太陽周日圈都相交于東、西兩點，這與實際不相符。

二、在太陽周日圈上能度量線距離嗎？

恒星周日運動的周期（恒星日）和（角）速度，如實地反映了地球自轉的周期和它的角速度。而一些地理老師對正確的赤道上太陽周日視運動示意圖（圖6）往往會提出一些質疑：“赤道上的晝夜長短還是全年晝夜等長嗎？圖中所示二分二至日三個圓弧半徑是否相同？二至日實線與虛線部分是否相等？”不難看出，他們是對不同日期的太陽周日圈進行線距離度量的前提下提出上述疑問的。眾所周知，太陽周日運動也是地球自轉的真實反映，它只是一種視運動，并非太陽的真運動，只能度量其方位和角距離。天文學上把天球定義為：“天球是以地心為球心，以任意遠為半徑的一個假想的球體”。既然天球的半徑是任意長的，又怎能可以進行比較不同日期的太陽周日圈的線距離呢？用圖6中所反映出的二至日周日圈周長比二分日短，從而推測其晝夜不等長，這完全是錯誤的。毋庸置疑，晝夜是否等長應該取決于日出時間是否是當地6時。

圖6 赤道上太陽周日視運動示意圖

三、赤道上太陽只有東升西落時日出時間才是當地6時嗎？

眾所周知，赤道上全年晝夜平分，每日日出時間皆為當地6時。利用赤道上每日6時（當地地方時）日出的事實來斷定日出方位必定為正東升正西落，筆者認為這也是完全錯誤的。赤道上一年內日出方位的變化范圍是在東偏北23°26′與東偏南23°26′之間（如圖6，這里推導從略），那么每日日出時間為什么皆為當地6時呢？這個問題涉及時間的度量。下面筆者利用天文學上的第一赤道坐標系（也稱時角坐標系，用于時間度量，如圖7）來作具體分析。

圖7 第一赤道坐標系的圓圈系統

在圖7中，ESWN為地平圈。QWQ′E為天赤道，P為天北極，P′為天南極，通過P和P′，垂直于天赤道的一切天球大圓，是天球的赤道經圈，簡稱赤經圈；一切與天赤道平行的圓，是天球的赤緯圈。天赤道與地平圈相交，得東點E、西點W（交點）和上點Q、下點Q′（遠距點）。通過上點Q和下點Q′（也必通過南點S和北點N）的赤經圈稱為子午圈，子午圈被天北極P和天南極P′等分為兩個半圓，通過N、Q′的半圓稱為子圈，通過Q、S的半圓稱為午圈。在第一赤道坐標系中，午圈的功能等同于地理坐標系中的本初子午線，是天體時角（是天體所在的赤經圈相對于午圈的方向和角距離）度量的起始面。時角以上點為起點，沿天赤道向西度量，用以度量時間。該坐標系中所表示的經度即稱時角，赤經圈便改稱時圈，并采用時間單位表示（每15折合1時）。上點、西點、下點和東點的時角，分別為0時、6時、12時、18時。通過東點和西點的赤經圈，航海天文學上稱為六時圈，通過E點的一半稱為東六時圈，通過W點的一半稱為西六時圈。若以下點為起點，沿天赤道向東度量時間，東六時圈上時間則為6時。這就與地球上不同經度的地方時計時相符。

觀測者所在地位于赤道上時，由于赤道上的地平圈垂直于天赤道，因此，第一赤道坐標系將變成圖8所示情形。

圖8 赤道上的第一赤道坐標系

圖8中，天赤道QWQ′E與地平圈ESWN相互垂直，六時圈PEP′W與地平圈ESWN重合，東六時圈PEP′上的時間皆為6時（以下點Q′為起點，沿天赤道向東度量），因此，雖然赤道上一年內的日出方位在東偏北23°26′與東偏南23°26′之間發生變化，但每天的日出時間都是當地6時，從而全年晝夜平分。