태양 경로

섬네일|upright=1.3|로테르담 위도의 모든 위치에 대한 극좌표계 극 그래프의 태양 경로
섬네일|1년 동안 노출된 이 솔라로그래피는 2014년 부다페스트에서 본 태양의 일주 운동 경로를 보여준다.

태양 경로(), 때로는 하루 호()라고도 불리며, 지구가 자전하고 태양 주위를 공전함에 따라 태양이 하늘을 가로질러 따라가는 것처럼 보이는 일일(해돋이에서 해넘이) 및 계절적 호 모양의 경로를 나타낸다. 태양 경로는 주어진 계절 동안 특정 위도를 따라 경험하는 낮의 길이와 받는 햇빛의 양에 영향을 미친다.

태양의 상대적 위치는 건물의 열 획득과 태양 에너지 시스템 성능에 주요 요인이다. 태양 경로 및 기후 조건에 대한 정확한 위치별 지식은 태양열 집열기 면적, 방향, 조경, 여름철 차광 및 태양광 추적기의 비용 효율적인 사용에 대한 경제적 결정을 위해 필수적이다.

 각도 

 지구 자전축 기울기의 영향 
모든 위도와 연중 모든 시기의 태양 경로는 기본 기하학으로 결정할 수 있다. 지구의 자전축은 태양 주위를 도는 지구의 궤도의 평면에 대해 약 23.5도 기울어져 있다. 지구가 태양 주위를 공전함에 따라, 이는 지점 태양 경로 사이의 47° 적위 차이와 여름과 겨울 사이의 반구별 차이를 만들어낸다.

북반구에서는 겨울 태양(11월, 12월, 1월)이 남동쪽에서 떠서 남쪽에서 낮은 각도로 천구 정중을 통과하고(열대 지방에서는 남쪽 지평선 위 43° 이상), 남서쪽으로 진다. 하루 종일 집의 남쪽(적도 쪽)에 있다. 남쪽(적도 쪽)을 향한 수직 창은 태양열 에너지를 포착하는 데 효과적이다. 이에 비해 남반구의 겨울 태양(5월, 6월, 7월)은 북동쪽에서 떠서 북쪽에서 낮은 각도로 정점을 찍고(열대 지방에서는 지평선에서 절반 이상), 북서쪽으로 진다. 그곳에서는 북향 창문이 집에 충분한 태양열 에너지를 들여보낸다.

북반구 여름(5월, 6월, 7월)에는 태양이 북동쪽에서 떠서 머리 위 지점의 약간 남쪽에서 정점을 찍고(고위도에서는 남쪽에서 낮게), 북서쪽으로 지는 반면, 남반구 여름(11월, 12월, 1월)에는 태양이 남동쪽에서 떠서 머리 위 지점의 약간 북쪽에서 정점을 찍고(고위도에서는 북쪽에서 낮게), 남서쪽으로 진다. 간단한 위도에 따른 적도 쪽 돌출부는 연중 가장 더운 날에 수직 적도 향 창문으로 직접적인 태양열 유입을 100% 차단하도록 쉽게 설계할 수 있다. 롤다운 외부 차양 스크린, 내부 반투명 또는 불투명 창 퀼트, 커튼, 셔터, 이동식 격자 등은 시간별, 일별 또는 계절별 태양 및 열 전달 제어(능동 전기 에어컨 없이)에 사용될 수 있다.

전 세계 어디에서든 분점(3월 20/21일 및 9월 22/23일)에는 극지방을 제외하고 태양이 정동쪽에서 떠서 정서쪽으로 진다. 북반구에서는 분점 태양이 하늘의 남쪽 절반(중위도에서는 지평선에서 약 절반 높이)에서 정점을 찍는 반면, 남반구에서는 그 태양이 하늘의 북쪽 절반에서 정점을 찍는다. 적도를 향했을 때, 태양은 북반구에서는 왼쪽에서 오른쪽으로, 남반구에서는 오른쪽에서 왼쪽으로 움직이는 것처럼 보인다.

위도(및 반구)별 태양 경로 차이는 효과적인 패시브 태양열 건물 설계에 중요하다. 이는 최적의 창문 및 돌출부 계절 설계를 위한 필수 데이터이다. 태양열 설계자는 설계하는 각 위치에 대한 정확한 태양 경로 각도와 해당 지역의 계절별 난방 및 냉방 요구 사항과 비교하는 방법을 알아야 한다.

미국에서는 정확한 위치별 고도 및 방위 계절 태양 경로 숫자를 NOAA에서 얻을 수 있다. 건물의 "적도 쪽"은 북반구에서는 남쪽이고, 남반구에서는 북쪽이며, 여름 하지점 태양 고도는 12월 21일에 발생한다.

 태양 정오에 수직 막대기의 그림자 
적도에서는 분점일 때 정오의 태양이 정확히 머리 위에 있어 수직 막대기가 그림자를 드리우지 않는다. 북회귀선(약 23.4°N)에서는 하지점(북반구 여름)에 수직 막대기가 그림자를 드리우지 않으며, 나머지 기간 동안 정오 그림자는 북극점을 가리킨다. 남회귀선(약 23.4°S)에서는 동지점(남반구 여름)에 수직 막대기가 그림자를 드리우지 않으며, 나머지 기간 동안 정오 그림자는 남극점을 가리킨다. 북회귀선 북쪽에서는 정오 그림자가 항상 북쪽을 가리키고, 남회귀선 남쪽에서는 정오 그림자가 항상 남쪽을 가리킨다.

 낮의 지속 시간 
극권(북극권 북쪽 및 남극권 남쪽) 내에서는 매년 동지점에 태양이 지평선 아래에 24시간 동안 머무는 날이 최소 하루 있고, 하지점에 태양이 지평선 위에 24시간 동안 머무는 날이 최소 하루 있다.

중위도에서는 낮의 길이와 태양 고도, 방위각이 매일, 그리고 계절마다 달라진다. 긴 여름날과 짧은 겨울날의 길이 차이는 적도에서 멀어질수록 증가한다.

 시각화 1 
아래 그림들은 지구에서 본 관점을 보여주며, 두 지점일의 매시간 태양의 위치를 표시한다. 연결하면 태양은 두 개의 낮 호를 형성하는데, 이는 천구에서 태양이 일주 운동을 하면서 따라가는 것처럼 보이는 경로이다. 더 긴 호는 항상 한여름 경로이고, 더 짧은 호는 한겨울 경로이다. 두 호는 46.88° (2 × 23.44°) 떨어져 있으며, 이는 지점 태양 간의 적위 차이를 나타낸다.

또한, 지평선 아래 최대 18°까지 "유령" 태양이 보이며, 이 동안 박명이 발생한다. 이 그림들은 북반구와 남반구 모두에 사용될 수 있다. 가상의 관찰자는 바다 한가운데 작은 섬의 나무 근처에 서 있는 것으로 가정한다. 녹색 화살표는 방위를 나타낸다.
 북반구에서는 북쪽이 왼쪽이다. 태양은 동쪽(먼 화살표)에서 떠서 남쪽(오른쪽)에서 오른쪽으로 움직이며 정중하고, 서쪽(가까운 화살표)으로 진다. 뜨는 위치와 지는 위치 모두 한여름에는 북쪽으로, 한겨울에는 남쪽으로 이동한다.
 남반구에서는 남쪽이 왼쪽이다. 태양은 동쪽(가까운 화살표)에서 떠서 북쪽(오른쪽)에서 왼쪽으로 움직이며 정중하고, 서쪽(먼 화살표)으로 진다. 뜨는 위치와 지는 위치 모두 한여름에는 남쪽으로, 한겨울에는 북쪽으로 이동한다.

다음은 묘사된 경우이다.
 적도(위도 0°)의 추상적인 선상에서는 태양의 최대 고도가 연중 내내 높지만, 매일 정오에 지면과 완벽한 직각을 이루지는 않는다. 실제로 이는 분점 동안 연중 이틀 발생한다. 지점은 태양이 천정에서 가장 멀리 떨어져 있는 날이지만, 이 경우에도 하늘 높이 떠 있으며, 북쪽 또는 남쪽으로 66.56°의 고도에 도달한다. 지점을 포함한 연중 모든 날은 12시간으로 길이가 같다.
 위도 20°에서 본 지점 낮 호. 태양은 겨울에는 고도 46.56°에서 정중하고, 여름에는 고도 93.44°에서 정중한다. 이 경우 90°보다 큰 각도는 반대되는 방위에서 고도 86.56°에서 정중함을 의미한다. 예를 들어, 남반구에서는 태양이 겨울 동안 북쪽에 머물지만, 한여름에는 천정을 넘어 남쪽으로 도달할 수 있다. 여름날은 겨울날보다 길지만, 그 차이는 약 두 시간 반을 넘지 않는다. 태양의 일일 경로는 연중 내내 지평선에서 가파르며, 아침과 저녁에 약 한 시간 20분 정도의 박명을 초래한다.
 위도 50°에서 본 지점 낮 호. 동지점 동안 태양은 정오에 지평선 위 16.56° 이상 뜨지 않지만, 하지점에는 같은 지평선 방향 위 63.44°까지 뜬다. 여름과 겨울 사이의 낮 길이 차이는 이곳에서 북쪽으로 갈수록 현저해지며, 동지점에는 8시간을 약간 넘고, 하지점에는 16시간 이상이다. 해돋이와 해넘이 방향의 차이도 마찬가지이다. 이 위도에서는 자정(여름 법정 시간으로 약 오전 1시)에 여름 태양이 지평선 아래 16.56°에 있어, 천문학적 박명이 밤새 계속된다. 이 현상은 회색 밤으로 알려져 있으며, 천문학자들이 심원천체 관측을 하기에 충분히 어둡지 않은 밤이다. 위도 60° 이상에서는 태양이 지평선에 훨씬 더 가까워져 6.56°밖에 떨어져 있지 않는다. 이때는 시민 박명이 거의 밤새 계속되며, 지역 자정 무렵에만 약간의 항해 박명이 있다. 위도 66.56° 이상에서는 해넘이가 전혀 없으며, 이 현상을 백야라고 한다.
 위도 70°에서 본 지점 낮 호. 지역 정오에 겨울 태양은 -3.44°에서 정중하고, 여름 태양은 43.44°에서 정중한다. 다르게 말하면, 겨울 동안 태양은 지평선 위로 뜨지 않으며, 이는 극야이다. 하지만 강한 박명은 여전히 있다. 지역 자정에 여름 태양은 3.44°에서 정중한다. 다르게 말하면, 태양은 지지 않으며, 이는 극야이다.
 극점(위도 90°)에서 본 지점 낮 호. 하지점 또는 동지점에는 태양이 하루 중 시간과 관계없이 지평선 위 또는 아래 23.44°에 각각 위치한다. 태양이 떠 있을 때(여름철 동안) 하늘 전체를 원형으로 돌며(북극점에서는 시계 방향, 남극점에서는 반시계 방향), 지평선에서 같은 각도를 유지하는 것처럼 보이므로 낮과 밤의 개념은 무의미하다. 고도 각도는 연간 주기로 점차 변하며, 태양은 하지점에 최고점에 도달하고, 분점에 뜨거나 지며, 추분 후와 춘분 전에 며칠 동안 지속되는 긴 박명 기간이 있다.

선택된 위도에서 본 지점 낮 호

 시각화 2 

태양 기하학에 관한 2021년 간행물Zhang, T., Stackhouse, P.W., Macpherson, B., and Mikovitz, J.C., 2021. A solar azimuth formula that renders circumstantial treatment unnecessary without compromising mathematical rigor: Mathematical setup, application and extension of a formula based on the subsolar point and atan2 function. Renewable Energy, 172, 1333-1340. DOI: https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.03.047은 먼저 관찰자 위치에 꼬리가 고정되고 태양을 향하는 단위 벡터인 태양 벡터의 x, y, z 성분을 계산한 다음, 이 성분들을 사용하여 태양의 고도와 태양의 방위각을 계산한다. 주야간 모두에 대해 1시간 간격으로 1년 동안 계산된 태양 벡터는 태양 경로를 효과적으로 시각화하는 데 사용될 수 있다.

다음 그림에서 좌표계의 원점은 관찰자 위치이고, x-양수는 동쪽, y-양수는 북쪽, z-양수는 위쪽이다. 북극점에서는 y-음수가 본초 자오선에 접하고, 남극점에서는 y-양수가 본초 자오선에 접한다. z-양수는 낮, z-음수는 밤이며, 시간 간격은 1시간이다.

모든 그림의 각 "8"자 패턴은 연중 매일 특정 시간에 해당하는 아날렘마이며, 연중 특정 날짜의 24시간 전체는 그 날의 태양 경로를 나타낸다.

 같이 보기 
 채광 (조명)
 낮의 길이
 기후에 대한 태양 각도의 영향
 헬리오스탯

 일사계
 직달일사계
 태양 접근
 태양 차트

 각주 

 외부 링크 
 U.S. Naval Observatory Sun or Moon Altitude/Azimuth Table 
 The simple geometry of sun, moon, and star  paths
 Sun path calculation and visualization on Android
 Sun path in augmented reality
 Sun path by location and date
 Sun positions, diagram and paths around the world by location and date
 Seasonal and Hourly Sun Path Design Issue Tutorial
 Sun path on map, charts and table, sun position for every location and date
 Sun position by location and date

분류:관측천문학
분류:기상학적 수량