对“赤道上太阳终年正东升正西落”的辨析

浙江省温州市温州中学（325014） 雷鸣

对“赤道上太阳终年正东升正西落”的辨析

浙江省温州市温州中学（325014） 雷鸣

由于赤道上全年昼夜等长，在高中地理“地球运动”部分的高考复习课中，经常发现一些地理老师认为“赤道上太阳终年正东升正西落”，并利用赤道上全年周日视运动图示（如图1）加以解析，甚至一些地理刊物也曾刊登有这样观点的文章。笔者认为这是他们对赤道上日出、日落时太阳方位的判断依据存在重大疏漏，现从以下三个方面进行辨析。

图1

一、太阳周日圈会相交吗？

天空呈球形，这是有目共睹的。天空看起来像个球面，人们就把广漠的宇宙当作球体看待，并把天体在天空中的视位置，当作它们的真实位置。这样一个假想的球体，叫做天球。天文上定义的“天球”是以地心为球心，以任意远为半径的一个假想的球体。它是用作表示天体视运动的辅助工具。天球上基本的圆和点主要有：①地平圈是通过地心，且垂直于当地铅垂线的平面的无限扩大，同天球相割而成的天球大圆。它把天球分成可见和不可见两部分。地平圈的两极是天顶和天底。②天赤道是地球赤道平面的无限扩大，同天球相割而成的天球大圆。天赤道分天球为南北两半球。它的两极叫天北极和天南极。天球上的“纬线圈”叫赤纬圈。天球上的“纬度”即赤纬值。

我们知道，地球自转所产生的结果，最明显的是天球的周日运动。地球自西向东自转，在地球上的观测者看来，地外的天空以相反的方向和相同的周期旋转，这就是天球的周日运动。

一般说来，恒星作为天球上的定点（不考虑其自行），其周日运动是地球自转的单纯反映。它从如下三个方面具体反映地球自转的情况（如图2）：①恒星周日运动的路线（周日圈），都以南北天极为不动的中心。②天和地的关系，犹如球面与球心的关系，周日运动的方向同地球自转方向相反。天体的东升西落，说明地球自西向东自转。③恒星周日运动的周期（恒星日）和（角）速度，如实地反映了地球自转的周期和它的角速度。显然，某地所有恒星的周日圈互相平行，并与天赤道平面平行。

图2 北半球某纬度的天球周日运动

不同天体的周日圈位置关系还可以通俗一点去分析：地球表面上的某定点随地球自转一周的路线即是该点的纬线圈。同样的道理，恒星作为天球上的定点，其周日运动的路线（周日圈），也是该恒星所在的赤纬圈。因此，某地所有恒星的周日圈互相平行，并与天赤道平面平行。

图3

图4 北极的天体周日运动

图5 赤道上的天体周日运动

由于地平圈是通过地心，且垂直于当地铅垂线的平面，其两极是天顶（即天顶到地平圈的角距离为90°）和天底。显然，地心（O）、某地（A）和天顶（Z）在同一直线上（如图3）。又因天赤道是地球赤道平面的无限扩大，同天球相割而成的天球大圆。因此，如设某地（A）的地理纬度为θ，则当地地平圈平面与天赤道平面的夹角为（90°-θ）。由此可知，北极点上地平圈平面与天赤道平面的夹角为0°（即两平面重合），其天体周日运动如图4所示；赤道上地平圈平面与天赤道平面的夹角为90°（即两平面垂直），其天体周日运动如图5所示。

太阳是天球上的一个特殊天体，一方面与其它天体一样以南北天轴为中心作周日运动，即我们平常所看到的太阳东升西落现象。另一方面由于地球的公转，在地球上观测者看来则是太阳沿黄道（地球公转轨道无限延伸同天球相割的大圆）向东在恒星中穿梭，其周期为恒星年，这就是太阳的周年运动。太阳东升西落的周期，即我们平常说的昼夜变化，实际上是太阳周日运动和周年运动的会合周期，我们称之为太阳日（实际上是真太阳日，这里不考虑真太阳日与平太阳日之分）。太阳日的长度是24小时，也就是说太阳连续两次上中天的时间间隔是24小时。简言之，由于黄赤交角的存在，使太阳周日运动的周期比其它恒星多3分56秒。

由于太阳赤纬值（太阳在天球上的“纬度”）变化于正负23°26′之间（地球上就是太阳直射点在南北回归线之间移动），因此太阳的周日运动每天都有不同的周日圈（如果考虑一天之内的太阳赤纬值变化，则其周日运动轨迹实际上是螺旋线）。同时，所有太阳周日圈相互平行，并与天赤道平面平行（如图6）。更简略一点还可以这样推测：赤道上一年内随着太阳直射点的变化，引起太阳在天球上赤纬的变化，不同的赤纬就有不同的太阳周日圈（太阳的周日圈就是某日太阳所在的赤纬圈）。这种情形类似于赤道上某日不同天体的不同周日圈（如图5），即把赤道上一年内太阳的不同周日圈看成赤道上某日不同天体的周日圈。因此，图1示意的赤道上全年太阳周日视运动，表明赤道上一年内的太阳周日圈都相交于东、西两点，这与实际不相符。

二、在太阳周日圈上能度量线距离吗？

恒星周日运动的周期（恒星日）和（角）速度，如实地反映了地球自转的周期和它的角速度。而一些地理老师对正确的赤道上太阳周日视运动示意图（图6）往往会提出一些质疑：“赤道上的昼夜长短还是全年昼夜等长吗？图中所示二分二至日三个圆弧半径是否相同？二至日实线与虚线部分是否相等？”不难看出，他们是对不同日期的太阳周日圈进行线距离度量的前提下提出上述疑问的。众所周知，太阳周日运动也是地球自转的真实反映，它只是一种视运动，并非太阳的真运动，只能度量其方位和角距离。天文学上把天球定义为：“天球是以地心为球心，以任意远为半径的一个假想的球体”。既然天球的半径是任意长的，又怎能可以进行比较不同日期的太阳周日圈的线距离呢？用图6中所反映出的二至日周日圈周长比二分日短，从而推测其昼夜不等长，这完全是错误的。毋庸置疑，昼夜是否等长应该取决于日出时间是否是当地6时。

图6 赤道上太阳周日视运动示意图

三、赤道上太阳只有东升西落时日出时间才是当地6时吗？

众所周知，赤道上全年昼夜平分，每日日出时间皆为当地6时。利用赤道上每日6时（当地地方时）日出的事实来断定日出方位必定为正东升正西落，笔者认为这也是完全错误的。赤道上一年内日出方位的变化范围是在东偏北23°26′与东偏南23°26′之间（如图6，这里推导从略），那么每日日出时间为什么皆为当地6时呢？这个问题涉及时间的度量。下面笔者利用天文学上的第一赤道坐标系（也称时角坐标系，用于时间度量，如图7）来作具体分析。

图7 第一赤道坐标系的圆圈系统

在图7中，ESWN为地平圈。QWQ′E为天赤道，P为天北极，P′为天南极，通过P和P′，垂直于天赤道的一切天球大圆，是天球的赤道经圈，简称赤经圈；一切与天赤道平行的圆，是天球的赤纬圈。天赤道与地平圈相交，得东点E、西点W（交点）和上点Q、下点Q′（远距点）。通过上点Q和下点Q′（也必通过南点S和北点N）的赤经圈称为子午圈，子午圈被天北极P和天南极P′等分为两个半圆，通过N、Q′的半圆称为子圈，通过Q、S的半圆称为午圈。在第一赤道坐标系中，午圈的功能等同于地理坐标系中的本初子午线，是天体时角（是天体所在的赤经圈相对于午圈的方向和角距离）度量的起始面。时角以上点为起点，沿天赤道向西度量，用以度量时间。该坐标系中所表示的经度即称时角，赤经圈便改称时圈，并采用时间单位表示（每15折合1时）。上点、西点、下点和东点的时角，分别为0时、6时、12时、18时。通过东点和西点的赤经圈，航海天文学上称为六时圈，通过E点的一半称为东六时圈，通过W点的一半称为西六时圈。若以下点为起点，沿天赤道向东度量时间，东六时圈上时间则为6时。这就与地球上不同经度的地方时计时相符。

观测者所在地位于赤道上时，由于赤道上的地平圈垂直于天赤道，因此，第一赤道坐标系将变成图8所示情形。

图8 赤道上的第一赤道坐标系

图8中，天赤道QWQ′E与地平圈ESWN相互垂直，六时圈PEP′W与地平圈ESWN重合，东六时圈PEP′上的时间皆为6时（以下点Q′为起点，沿天赤道向东度量），因此，虽然赤道上一年内的日出方位在东偏北23°26′与东偏南23°26′之间发生变化，但每天的日出时间都是当地6时，从而全年昼夜平分。