太陽(yáng)光照射物體的角度

◎文圖 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái) 郭紅鋒

居住在中緯度地區(qū)的人們都知道，房子的朝向太重要了，例如在北京及周邊地區(qū)，朝南的房間要比朝北的房間價(jià)格高。原因就是南向的房間冬暖夏涼，而東、西向的房間卻冬涼夏熱，這是為什么呢？

我們以前給同學(xué)們講解過，太陽(yáng)在中緯度地區(qū)的視運(yùn)動(dòng)軌跡是東—南—西傾斜的半圓型軌跡。以北京地區(qū)（北緯40°）為例，春、夏、秋、冬各季節(jié)太陽(yáng)軌跡變化見圖1。

陽(yáng)光照射的角度對(duì)我們的生活有重要影響

圖1 北京地區(qū)春夏秋冬各季節(jié)太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)軌跡圖

從圖1中，我們分析北半球中緯度地區(qū)（例如北京）太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)律如下：

1. 夏季太陽(yáng)運(yùn)行軌跡大半圈在地面以上，小半圈在地面以下，冬季相反。

2. 太陽(yáng)相對(duì)于地平面的照射，夏季近于直射且照射時(shí)間長(zhǎng)，冬季偏于斜射且照射時(shí)間短，所以室外的溫度是夏熱冬冷。

◎夏季日出很早（約早4點(diǎn)）且在東北升起，日落很晚（約晚8點(diǎn)）且在西北落下，中午太陽(yáng)在南邊較高的位置，例如北京地區(qū)地理緯度約40°，夏至?xí)r正午太陽(yáng)高度達(dá)到最高點(diǎn)：90°—40°+23°.5=73°.5。

◎冬季日出很晚（約早8點(diǎn)）且在東南升起，日落很早（約晚4點(diǎn)）且在西南落下，中午太陽(yáng)在南邊較低的位置，例如北京地區(qū)地理緯度約40°，冬至?xí)r正午太陽(yáng)高度達(dá)到最低點(diǎn)：90°—40°—23°.5=26°.5。

不過對(duì)于垂直于地面的物體（例如窗戶、墻壁、船幫、人體等），就要具體分析了。例如一面垂直地面的窗戶，所射入的陽(yáng)光，就需要看其朝向啦！

1. 先看看夏季的情況：

◎夏季日照到東窗從早4點(diǎn)到中午12點(diǎn)（約8小時(shí)），陽(yáng)光入射的方向來(lái)自側(cè)面（東北方向），到正面（正東方向），再到側(cè)面（東南方向），大部分時(shí)間太陽(yáng)在比較低的位置。因此，陽(yáng)光與窗面垂直度較大，從東窗射入的陽(yáng)光通量較大，如果是密閉的房間溫度會(huì)比較高。

◎夏季日照到南窗從上午8點(diǎn)左右到下午4點(diǎn)左右（約8小時(shí)），陽(yáng)光入射的方向來(lái)自側(cè)面（東南方向），到正面（正南方向），再到側(cè)面（西南方向），大部分時(shí)間太陽(yáng)在較高的位置。因此，陽(yáng)光與窗面垂直度較小，所以從南窗射入的光通量相對(duì)較少，如果是密閉的房間溫度會(huì)比較低。

◎夏季日照到西窗（與東窗對(duì)稱、類似）從中午12點(diǎn)到晚上8點(diǎn)左右（約8小時(shí)），陽(yáng)光入射的方向來(lái)自側(cè)面（西南方向），到正面（正西方向），再到側(cè)面（西北方向），大部分時(shí)間太陽(yáng)在比較低的位置。因此，陽(yáng)光與窗面垂直度較大，從西窗射入的陽(yáng)光與東窗相仿，也是通量較大，如果是密閉的房間溫度會(huì)比較高。

圖2 北半球中緯度地區(qū)，夏季東、西向房間的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大于南向

分析結(jié)果，東、南、西三面窗，在夏季所受日照時(shí)間基本一樣長(zhǎng)，入射的方向也差不多都是側(cè)面—正面—側(cè)面。但東、西窗進(jìn)入的太陽(yáng)光相對(duì)窗戶比較垂直（因?yàn)樘?yáng)在較低處運(yùn)行），進(jìn)入房間的陽(yáng)光通量較大（參考圖2），而南窗進(jìn)入的太陽(yáng)光相對(duì)窗戶比較平行（因?yàn)樘?yáng)在較高處運(yùn)行），進(jìn)入房間的陽(yáng)光通量較小（參考圖2）。

所以北半球中緯度地區(qū)，夏季東、西向房間的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大于南向。

2. 再看看冬季的情況：

◎冬季日照到東窗從早8點(diǎn)到中午12點(diǎn)（約4小時(shí)），陽(yáng)光入射的方向來(lái)自側(cè)面（東南方向），大部分時(shí)間太陽(yáng)在比較低的位置，但因?yàn)槎际莻?cè)面入射，與窗戶不垂直，所以從東窗射入的陽(yáng)光通量較小。如果是密閉的房間溫度會(huì)比較低。

◎冬季日照到南窗從上午8點(diǎn)左右到下午4點(diǎn)左右（約8小時(shí)），陽(yáng)光入射的方向來(lái)自側(cè)面（東南方向），到正面（正南方向），再到側(cè)面（西南方向），大部分時(shí)間太陽(yáng)都在較低的位置。因此，陽(yáng)光與窗面垂直度較大，從南窗射入的光通量相對(duì)較多，如果是密閉的房間溫度會(huì)比較高。

◎冬季日照到西窗（與東窗類似）從中午12點(diǎn)到晚上4點(diǎn)左右（約4小時(shí)），但因?yàn)槎际莻?cè)面入射，與窗戶不垂直，所以從西窗射入的陽(yáng)光通量較小，如果是密閉的房間溫度會(huì)比較低。

通過以上分析，說明東、南、西三面窗，在冬季所受日照時(shí)間不一樣長(zhǎng)，入射的方向也不相同。東、西窗射入的太陽(yáng)光相對(duì)窗戶比較平行（因?yàn)樘?yáng)從側(cè)面斜射進(jìn)入），因此進(jìn)入房間的陽(yáng)光通量較?。▍⒖紙D3），而南窗射入的太陽(yáng)光相對(duì)窗戶比較垂直（因?yàn)樘?yáng)在較低處運(yùn)行，而且大半時(shí)間是正面直射），進(jìn)入房間的陽(yáng)光通量較大（見圖3）。

所以，在北半球中緯度地區(qū)，冬季東、西向房間的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度小于南向。

圖3 北半球中緯度地區(qū)，冬季東、西向房間的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度小于南向

通過以上分析，我們就知道了為什么南向的房間會(huì)冬暖夏涼，而東、西向的房間相比南向的房間則冬冷夏熱。

現(xiàn)在有很多同學(xué)去過南北極考察，在極地生活也會(huì)遇到同樣的問題。比如在極地的夏季，太陽(yáng)一直在距地面20多度的高度上水平旋轉(zhuǎn)（在極點(diǎn)夏至?xí)r太陽(yáng)最高距地面23.5°）。太陽(yáng)對(duì)于地面的照射雖然全天都有，屬于斜射，所以地面環(huán)境溫度并不算高。對(duì)于垂直于地面的物體，例如墻壁、窗戶、人體而言，就是近乎直射，所以會(huì)在局部產(chǎn)生很高的熱量，甚至灼傷。

例如夏季在極地的野外，人們雖然身穿羽絨服，依然感覺很冷，陽(yáng)光曬到臉上或裸露的皮膚上基本沒有烤和熱的感覺，但卻能在很短的時(shí)間里發(fā)紅、變黑、有灼傷感。居住在極地地區(qū)的漁民也有常識(shí)，他們自制的木質(zhì)漁船是用膠粘合的，船幫接縫處的膠在夏季經(jīng)常會(huì)被烤化。他們的木屋墻壁涂的油漆在夏季也經(jīng)常被烤化。所以，我們?nèi)绻跇O地居住，搭建一所密閉、圓柱形、垂直面透光的玻璃房，應(yīng)該是比較合理的選擇。

最后，給同學(xué)們留下一個(gè)思考的問題：你能設(shè)計(jì)一個(gè)在某地鋪設(shè)太陽(yáng)能電池板的方案嗎？

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