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理解日行跡:太陽在天空中寫的8字!

理解日行跡:太陽在天空中寫的8字!

陳維洵
2025年6月

大家有否注意到太陽在夏季和冬季時升起的時間不同?夏季的日出較早,而冬季的日出則較遲。圖一是利用六張在不同日子但同一時間拍攝的相片拼湊而成。在十二月前後,七時許太陽剛從地平線升起,而在六月左右,太陽在七時已高高掛在天上。事實上,太陽每天升起的時間及方位略有不同,但每年都會按照一個固定的規律重複。
圖一
圖一   2024年於不同日子(日期以黑色標記)但在同一時間(香港時間早上七時十分)在清水灣望向東面的天文台天氣照片合成 [註]

地球傾斜的自轉軸
地球的自轉軸(又稱為地軸)傾斜約23.5度。在地球公轉的一年中,太陽在春分和秋分時直射赤道,白晝與黑夜大致平分。由春分開始至秋分為止,地軸的北側傾向太陽(圖二)。由於香港位處北半球,太陽會在靠近東北方向升起,且日出時間較早(圖三)。秋分過後情況剛相反,太陽在北半球會在靠近東南方向升起,而日出時間則較晚。
圖二
圖二   當北半球處於夏季時,地軸的傾斜使其白晝長於黑夜。
圖三
圖三   在本港觀察太陽的簡略路徑圖顯示日出的方位有年際變化。

地球橢圓形的軌道
地球繞太陽運行的軌道並非正圓形,而是橢圓形(圖四)。因此,地球在一年中不同時間的運行速度會有所不同。當地球離太陽較近時,移動速度較快;而當離太陽較遠時,速度則較慢。換句話說,在一年中,每天同一時間,太陽在天空中的位置會因為這些變化而略有不同。
圖四
圖四   地球圍繞太陽運行的橢圓形軌道示意圖。圖中標示春秋分、夏至和冬至時地球的大約位置。(太陽與地球的大小、距離及橢圓形軌道並非按比例繪製)
正因為地軸傾斜,如果你在整整一年中每天在同一時間和地點觀察太陽的位置,你會看到太陽的位置形成一個「8」字!從圖五的合成照片可以看到這個「8」字不對稱,這是由於 地球公轉軌道是橢圓形所致。這「8」字路徑稱為「日行跡」,而日行跡的頂部(圖五橙點)對應一年中日照最長的一天(夏至),底部(圖五藍點)則對應日照最短的一天(冬至)。
圖五
圖五   2023年不同日子(選擇了16個天朗氣清的早上)在香港時間早上七時十分於清水灣望向東面的合成天文台天氣照片[註]。虛線為日行跡,顯示太陽一年內於不同日子但在同一時間看到的位置。
在地球不同位置看到的日行跡形態略有不同,香港年內不同時刻的太陽位置刊於香港天文台在其網站出版的香港天文台年曆(圖六)。
圖六
圖六   太陽周年路徑圖,紅框內為七時正的日行跡,時間與圖四接近。路徑圖以香港天文台的所在位置為準。
註:
受相機曝光設置的影響,左側的太陽看起來較大。實際上,從地球觀察太陽的視直徑約為0.53度,年際變化並不明顯。此外,太陽上方的橫向光暈是由相機的光學現象所造成的。