太阳路径

太阳路径，有时称为日弧（day arc），会影响某个季节中，某一纬度所经历的白天长度及所接收的日照。

相对的太阳位置是建筑热量获取及太阳能系统性能的重要因素。特定地点准确的太阳路径与气候条件知识，对于在太阳能收集器的区域、方向、景观、夏季遮荫及成本效益使用太阳能追踪器等经济决策至关重要。

## 地球转轴倾角的影响

任何纬度、任何季节的太阳路径都可以从基本的几何结构中推算出来。地球自转的轴（自转轴）相对于地球绕太阳的轨道面（黄道）倾斜。随着地球绕太阳公转，这会造成太阳路径在两至点之间的赤纬差异达到47°，以及夏季与冬季在南北两个半球间的差异。

在北半球的冬季（11月、12月、1月），太阳从东南方升起，顶点在南方以低角度通过天球子午线（在热带地区高于南方地平43°以上），然后在西南方落下。它整天都在房子的南侧（赤道）那边。面向南方（赤道侧）的垂直窗户能有效捕捉太阳热能。作为比较，南半球的冬季（五月、六月、七月），太阳从东北方升起，在北方以低角度（热带地区超过地平线43°以上）掠过，然后在西北方向落下。在那里，朝北的窗户会让大量太阳热能进入房子。

在北半球夏季（5月、6月、7月），太阳从东北方升起，稍微在头顶南侧达到最高峰（高纬度的太阳高度较低），然后在西北落下；而南半球夏季（11月、12月、1月）太阳则从东南方升起，稍微在头顶点以北达到高峰（高纬度的太阳高度较低），然后在西南方向落下。可以轻易依照纬度设计简单的赤道侧悬挑，在一年中最热的日子里，阻挡100%直接太阳辐射进入面向赤道的垂直窗户。可卷下的外部遮阳网、室内半透明或不透明的窗户被子、窗帘、百叶窗、可移动的格架等等，都可用于每小时、每日或季节性日照与热传导的控制（无需主动电气空调）。

除了极地外，全球各地在春分与秋分（3月20/21日及9月22/23日）期间，太阳都从正东升起，正西落下。在北半球，春分的太阳在天空的南半部（约在中纬度地平线中段）达到最高点；而在南半球，太阳则在天空的北半部达到最高点。面向赤道时，太阳在北半球似乎从左向右移动，在南半球则由右向左移动。

纬度（及半球）特定的太阳路径差异对有效的被动太阳能建筑设计至关重要。它们是最佳窗户与悬挑季节设计的重要资料。太阳能设计师必须了解每个设计地点的精确太阳路径角度，以及这些角度与基于地点的季节性供暖与冷需求之间的比较。

在美国，季节性太阳路径的精确位置高度与方位数值可从NOAA取得：建筑物的“赤道侧”位于北半球的南方，南半球则是北方，太阳在南半球的夏至，12月21日达到最高点。

### 太阳正午时，垂直棍子的影子

在分点时，赤道上的正午太阳会直射头顶，因此垂直的棒子不会投下阴影。在北回归线（约23.4°N）上，垂直的棒子不会在六月至日（北半球夏至）投下阴影，而其余时间其正午的阴影则指向北极。在南回归线（约南纬23.4度）上，垂直的树枝不会在南半球的夏至时投下阴影，而其余时间其正午的阴影会指向南极点。北回归线以北，正午的影子总是指向北方；在南回归线以南，正午的阴影总是指向南方。

### 日照持续时间

在极圈范围内（北极圈以北及南极圈以南），每年至少有一天太阳在地平线下停留24小时（冬至），以及至少一天太阳在地平线上停留24小时（夏至）。

在中纬度地区，白天长度、太阳天顶角和太阳方位角随季节变化。随着离赤道距离的增加，长夏日与短冬日的长度差异会增加。

## 视觉化1

下方照片展示了从地球拍摄的以下视角，标示两个至日中太阳位置的每小时位置。当相连时，太阳会形成两个“日弧”，即太阳在天球的周日运动中似乎沿着它们的路径前进。较长的弧线通常是仲夏路径，而较短的弧线则是仲冬之路。两条弧相距46.88°（2×23.44°），显示两至点太阳之间的赤纬差。

此外，在地平线下方可见一些“幽灵”太阳，最深可达18°。此时会发生曙暮光。这些图片可用于地球的北半球和南半球。理论上的观察者应该站在海中央一座小岛上的树附近。绿色箭头代表罗盘方位。

- 在北半球，北方位于左侧。太阳从东方升起（远箭头），中天在南侧（向右）移动时向右移动，并在西方（靠近箭头处）落下。隆起与定点位置在盛夏时向北移动，冬季则向南移动。
- 在南半球，南方在左侧。太阳从东方（靠近箭头）升起，在北方（右侧）达到顶点，同时向左移动，最后在西方落下（远箭头）。在仲夏（夏至）之后，太阳出没的位置逐渐南移，在仲冬（冬至）之后则向北移动。

以下情况被描绘：

- 在抽象的赤道线（纬度0°）上，太阳全年的最大高度都很高，但并非每天中午与地面形成完美的直角。事实上，一年中只有两天，发生在分点时分。至日是太阳离天顶最远的日期，但在这些情况下太阳也高挂天空，达到北方或南方66.56°的高度。全年所有的日子，包括至日，白昼的长度都一样，都是12小时。
- 从纬度20°看的至日弧。太阳在冬季仍可达到46.56°的高度，夏季则越过天顶达到93.44°的高度。此时，角度大于90°表示顶点发生在相反的基数方向，为86.56°的高度。例如，在南半球，太阳在冬季仍位于北方，但在仲夏时则能越过天顶位于南方。夏天的白天比冬天长，但差距不超过约两个半小时。太阳每日的轨道全年在地平线处陡峭，导致早晚的曙暮光仅约一小时二十分钟。
- 从纬度50°望去的至日弧。冬至期间，中午时分的太阳高度不会超过地平线上方16.56°，但夏至时的高度则是63.44°，且位于同一地平线方向。从这里往极点，夏冬的昼夜长短差异开始显著——冬至时略超过8小时，夏至时则超过16小时；日出与日落方向的差异也同样显著不同。在这个纬度，午夜时分（夏令法定时间约凌晨1点），夏至日太阳位于地平线下方16.56°，这意味着“天文曙暮光”整夜持续。这种现象被称为“灰夜”，即天文学家无法观测深空的夜晚。在纬度60度以上，太阳会更接近地平线，仅相距6.56°。因此“民用暮光”几乎整晚持续，只有在当地午夜附近有一点点“航海暮光”。在纬度66.56°以上，完全没有日落，这种现象被称为午夜太阳。
- 从纬度70°观察至日弧。当地中午时，冬季太阳最高点为−3.44°，夏季太阳为43.44°。换句话说，冬天时太阳不会升起，而是极夜。不过，曙暮光依然会很强烈。当地午夜时分，夏季太阳达到的高度仍有3.44°。换句话说，它不会日落，这天是极昼日。
- 从任一极（90°纬度）观察至日弧。在夏至或冬至时，当天中无论何时，太阳分别位于地平线上方或下方23.44度。当太阳升起（夏季）时，它会绕整个天空（从北极顺时针转，从南极逆时针转），看起来与地平线保持相同高度，因此白天或黑夜的概念毫无意义。仰角会以年为循环逐渐改变，太阳在夏至时达到最高点，分点时升起或落下，秋分后及春分前会有数天的长时间曙暮光。

从选定纬度观察的至日弧

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- 纬度0°（赤道）

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- 纬度20°

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- 纬度50°

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- 纬度70°

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- 纬度90°（任一极点)

## 视觉化2

2021年出版关于太阳几何，首先计算太阳向量的x、y、z分量，该向量为单位向量，尾端固定在观察者的位置，且头部持续指向太阳，然后利用分量计算太阳天顶角与太阳方位角。计算出的太阳向量，无论白天或夜晚，全年都一小时一步，能有效地视觉化太阳路径。

在下面的图中，座标系的原点是观察者的位置，x-正是东方，y-正是北，z-正是向上；在北极点，y负值与本初子午线相切；在南极点，y-正值与本初子午线相切；Z-正值代表白天，Z-负值代表夜间；时间步长为1小时。

所有图形中的每个“8”图案都是一个日行迹，对应一年中每天的特定时间点。

一年中某一天的24小时，都描绘了当天的太阳轨迹。

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- 荷兰鹿特丹

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- 赤道、本初子午线

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- 北极

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- 南极

## 太阳步道画廊

此处的太阳路径极座标图代表赤道、热带、北回归线、中纬度、鹿特丹的纬度、北极圈、北极区、北极以及在南半球与鹿特丹的共轭纬度。每张图中的极轴代表太阳天顶角的度数，而太阳方位角则遵循以北为起点顺时针量度的惯例，标示的时间为当地视太阳时，则可套用于标示纬度的任何经度。每张图中显示的路径为2026年1月21日至12月的走势。每个小时轮廓形成一个类似数字“8”的图形，对应该小时的日行迹。

一个特征是，如果距离夏至或冬至有相同日距的两天，例如2026年5月21与2026年7月21日，它们的太阳轨迹几乎重叠。因此，2026年4月21日与2026年8月21日、2026年3月21日与2026年9月21日、2026年2月21日与2026年10月21日、以及2026年1月21日与2026年11月21日这几天的太阳路径几乎重叠。

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- 经度与纬度 (0.0º, 0.0º)，赤道的太阳路径

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- 经度与纬度 (15.0º, 0.0º)，热带的太阳路径

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- 经度与纬度 (23.5º, 0.0º)，北回归线的太阳路径

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- 经度与纬度 (45.0º, 0.0º)，中纬度的太阳路径

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- 经度与纬度 (51.92º, 0.0º)，鹿特丹的太阳路径

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- 经度与纬度 (67.5º, 0.0º)，北极圈的太阳路径

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- 经度与纬度 (75.0º, 0.0º)，北极地区的太阳路径

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- 经度与纬度 (90.0º, 0.0º)，北极的太阳路径

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- 经度与纬度 (-51.92º, 0.0º)，南半球与鹿特丹共轭纬度的太阳路径

## 外部链接

- 美国海军天文台 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
- Seasonal and Hourly Sun Path Design Issue Tutorial
- "Three Decades of Passive Solar Heating and Cooling Lessons Learned"