详析太阳高度角知识

江苏/王晨光

一、太阳高度角与正午太阳高度角的概念

太阳高度角是我们观察太阳时的仰角，也就是太阳光线与地面之间的夹角（如图1所示）。由于地球的自转，造成太阳东升西落，太阳高度角在一日内不断发生变化（如图2所示）；正午（地方时为12时）太阳位于上中天时，太阳的高度角达到最大值H，我们将此时的太阳高度角称为该日的正午太阳高度角。

二、（正午）太阳高度角的时空分布规律

1. 太阳高度角的分布规律

（1）某时刻的空间分布

如下图所示，此时刻太阳直射点A的太阳高度角为90°，从直射点向四周，随着球面的弯曲，太阳高度角递减，呈同心圆状分布，晨昏线上的太阳高度角为0°。

（2）日变化

随着地球的自转，太阳直射点沿纬线移动，球面上各点的太阳高度角均不断发生变化，其大小取决于该点到直射点的球面距离。

2. 正午太阳高度角的分布规律

（1）某日的空间分布

在上图中，A点所在的经线地方时为12时，此时的太阳高度角即为该纬线上各地的正午太阳高度角。同一纬线上各地此日的正午太阳高度角相同。A点所在纬线上正午太阳高度角为90°，从A点所在纬线向南北两侧，随着球面的弯曲，正午太阳高度角递减，且与A点之纬度比较，纬度相差多少，正午太阳高度角也相差多少。比较某日两点的正午太阳高度大小，须比较两点中哪点离太阳直射纬线近，近者正午太阳高度角大。

（2）年变化

由于太阳直射点在南北回归线之间作回归运动，某地到太阳直射纬度的距离发生变化，其正午太阳高度角随之变化。在太阳直射点移近该地所在纬线的时段，该地正午太阳高度角递增；反之，该地正午太阳高度角递减。若某地在北回归线以北（或南回归线以南），则其正午太阳高度角分别在夏冬至日达最大、最小值。若某地在南北回归线之间，则一年内有两次太阳直射，正午太阳高度角最大值达90°；在冬夏至日达到两次极小值。

3. 特殊地点的正午太阳高度

（1）极点的正午太阳高度

如下图所示，出现极昼的北极点，一日内太阳高度不变，（正午）太阳高度等于直射点的地理纬度a。

（2）与晨昏面相切的纬线上的正午太阳高度

如上图所示，A点所在纬线与晨昏面相切，其纬度应为90°-a，计算可得该日其正午太阳高度为2a。上述两地的太阳周日视运动为下图所示。

三、有关太阳高度角问题的类型与解题思路

太阳高度角类问题可以归纳为三种基本类型：比较某时刻不同地点的太阳高度、比较某日不同纬度的正午太阳高度、探究某地正午太阳高度的年变化规律。此外，因为各地正午太阳高度的大小取决于太阳直射纬度，而太阳直射纬度又影响昼夜长短、季节变化，因此，正午太阳高度问题常与昼夜长短、季节判断问题联系在—起；特定日期某时刻各地太阳高度角的大小取决于太阳直射点的经度，因此比较各地太阳高度角的大小常和时刻的计算联系在一起。下面对太阳高度角的具体运用举例进行讲解。

例1：下图为地球上某时刻太阳高度分布示意图，图中粗线为等太阳高度线，读图回答下列问题。

1. 此时北京时间为

A. 7时 B. 15时

C. 17时 D. 21时

2. 若①②两点经度相同，②③两点纬度相同，则此时刻的太阳高度

A. ①＜③ B. ①=②

C. ②=③ D. ①＞②

3. 此时

A. PM为昏线,PN为晨线

B. 新一天的范围约占全球的1/8

C. 新一天的范围约占全球的7/8

D. 全球昼夜平分

4. 此时Q点太阳高度的日变化图是

解题思路：

第1题，根据图中某时刻太阳高度的分布规律可知，此时太阳直射①点，其地方时为12时；据图中经度变化规律可求得①点所在经线为45°E，所以北京时间为17时。

第2题，①为太阳直射点，太阳高度大于②③；②与③纬度相同，②为正午，太阳高度大。

第3题，想象地球自转，可知PM为晨线，PN为昏线；由第1题可知135°W此时为0时，所以新一天的范围占全球的7/8。

第4题，Q点为极点，处于极昼，一日内太阳高度不变，等于直射点①的地理纬度。

答案：1. C 2. D 3. C 4. A

例2：在30°N某地使用太阳能热水器，集热板要和正午太阳光线保持垂直，则一年中倾角a的最大值是________，最小值是________。

解题思路：倾角a的大小取决于正午太阳高度。夏至日，太阳直射北回归线，该地正午太阳高度最大；冬至日，太阳直射南回归线，该地正午太阳高度最小，分别计算即可得出答案(53°26’、6°34’)。其他如日影长短、室内光照面积大小的问题，均可以看作是计算某地最大或最小正午太阳高度角的问题。

例3：在30°N某地盖两排幢高为30米的楼房，要保证北面楼房最底层终年都能在正午见到阳光，则房屋间距最小为多少?

解题思路：冬至日，该地正午太阳高度最小(36°34’)，依此日正午太阳高度计算出的楼间距A，能保证全年见到阳光。公式为A=h·cot36°34’。

答案：40.5米