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理解日行迹:太阳在天空中写的8字!

理解日行迹:太阳在天空中写的8字!

陈维洵
2025年6月

大家有否注意到太阳在夏季和冬季时升起的时间不同?夏季的日出较早,而冬季的日出则较迟。图一是利用六张在不同日子但同一时间拍摄的相片拼凑而成。在十二月前后,七时许太阳刚从地平线升起,而在六月左右,太阳在七时已高高挂在天上。事实上,太阳每天升起的时间及方位略有不同,但每年都会按照一个固定的规律重复。
图一
图一   2024年于不同日子(日期以黑色标记)但在同一时间(香港时间早上七时十分)在清水湾望向东面的天文台天气照片合成 [注]

地球倾斜的自转轴
地球的自转轴(又称为地轴)倾斜约23.5度。在地球公转的一年中,太阳在春分和秋分时直射赤道,白昼与黑夜大致平分。由春分开始至秋分为止,地轴的北侧倾向太阳(图二)。由于香港位处北半球,太阳会在靠近东北方向升起,且日出时间较早(图三)。秋分过后情况刚相反,太阳在北半球会在靠近东南方向升起,而日出时间则较晚。
图二
图二   当北半球处于夏季时,地轴的倾斜使其白昼长于黑夜。
图三
图三   在本港观察太阳的简略路径图显示日出的方位有年际变化。

地球椭圆形的轨道
地球绕太阳运行的轨道并非正圆形,而是椭圆形(图四)。因此,地球在一年中不同时间的运行速度会有所不同。当地球离太阳较近时,移动速度较快;而当离太阳较远时,速度则较慢。换句话说,在一年中,每天同一时间,太阳在天空中的位置会因为这些变化而略有不同。
图四
图四   地球围绕太阳运行的椭圆形轨道示意图。图中标示春秋分、夏至和冬至时地球的大约位置。(太阳与地球的大小、距离及椭圆形轨道并非按比例绘制)
正因为地轴倾斜,如果你在整整一年中每天在同一时间和地点观察太阳的位置,你会看到太阳的位置形成一个「8」字!从图五的合成照片可以看到这个「8」字不对称,这是由于 地球公转轨道是椭圆形所致。这「8」字路径称为「日行迹」,而日行迹的顶部(图五橙点)对应一年中日照最长的一天(夏至),底部(图五蓝点)则对应日照最短的一天(冬至)。
图五
图五   2023年不同日子(选择了16个天朗气清的早上)在香港时间早上七时十分于清水湾望向东面的合成天文台天气照片[注]。虚线为日行迹,显示太阳一年内于不同日子但在同一时间看到的位置。
在地球不同位置看到的日行迹形态略有不同,香港年内不同时刻的太阳位置刊于香港天文台在其网站出版的香港天文台年历(图六)。
图六
图六   太阳周年路径图,红框内为七时正的日行迹,时间与图四接近。路径图以香港天文台的所在位置为准。
注:
受相机曝光设置的影响,左侧的太阳看起来较大。实际上,从地球观察太阳的视直径约为0.53度,年际变化并不明显。此外,太阳上方的横向光晕是由相机的光学现象所造成的。