第八节 四季和五带

401 太阳的回归运动

§ 401-1 太阳回归运动和太阳赤纬的周年变化

地球上之所以有四季递变和五带区分，其根本原因在于黄赤交角，即黄道面对于赤道面的倾斜；而其直接原因则是太阳相对于天赤道的回归运动。由于黄赤交角的存在，太阳在周年运动的同时，还表现为相对于天赤道

的往返运动。具体地说，天球上的太阳，半年在天赤道以北，半年在天赤道以南。这是因为，黄道的一半在天赤道以北，另一半在天赤道以南。太阳的这种运动，是其周年运动的另一个侧面，称为太阳回归运动。它在天球上所能到达的南、北界线，称为南、北回归线。回归运动的周期便是回归年。回归运动、回归线和回归年，是同一事物的三个不同的侧面。

太阳相对于天赤道的回归运动，也表现为太阳直射点对于地球赤道的往返运动：半年直射在北半球，半年直射在南半球；半年向北移动，半年向南移动。地球上的南北回归线的概念，也是相对于太阳回归运动而言的。

地球上昼、夜两半球的分界线叫晨昏圈。这是地球的一个大圆。随着太阳直射点的南北移动，晨昏圈便在南、北极两侧摆动，摆动的幅度也是 23° 26′。在这个纬度范围内，有极地区域特有的天文现象——极昼和极夜，故南、北纬 66°34′的两条纬线，被称为南、北极圈（图 4-1）。

太阳回归运动的主要表现，在于太阳赤纬的周年变化。在天文上，我国的二十四气和西方的十二宫，是按太阳的黄经划分的；然而，在地理意义上， 它们之间更加重要的区别，在于太阳赤纬的不同。前面说过，天体的周日圈， 就是该天体所在的赤纬圈。因此，天体赤纬的变化，意味着它的周日圈的改变。不同赤纬（或周日圈）的天体，有不同的出没时刻（与方位）和中天高度。太阳赤纬的变化，影响各地的昼夜长短和正午太阳高度的大小，二者都是季节变化的主要因素。

太阳的赤纬随其黄经而变化。不同的太阳黄经总是与一定的太阳赤纬相对应，其大小可以解球面三角形方法计算①。

图 4-1 回归线和极圈

如图 4-2，P 为天北极，K 为黄北极，S 为沿黄道运行的太阳，其黄经为λ，赤纬为δ。在△PKS 中，

① 球面三角形及其余弦公式和正弦公式，参见附录四。95 日 4—2 解球面三角形，由太阳黄经（A）求知太阳赤纬（6）

∩

PK = ε = 23°26′（黄赤交角），

∩

KS ＝ 90°

∠K＝ 90° − λ，

已知三角形的两边及其夹角，求第三边，按球面三角形边的余弦公式有： cosa=cosbcosc+sinbsinccosA

把上列数值代入余弦公式，即得

cos（90°-δ）＝ cos? COS90°＋ sin? sin90°cos（90°-δ） 即

sinδ=sin? sinλ=sin23°26′sinfλ sinδ＝ 0. 3977sinλ

或

sinδ＝ 0.4sinλ

在该图中，由天赤道、黄道和太阳所在时圈，构成另一个直角球面三角形。已知λ和? ，代入球面三角形的正弦公式，同样可得

sinδ = sinε

sinλ sin 90°

sinδ = 0.4sinλ

根据这个公式，人们得以按太阳黄经λ，求知所对应的太阳赤纬δ。按该公式推算，二分二至及四立的太阳赤纬，列表如下：

§401-2 太阳回归运动与地球公转

太阳的回归运动及其赤纬的周年变化，是太阳周年运动的一个侧面。太阳周年运动本身，是地球公转的反映，因此，从根本上说，太阳的回归运动， 必须用地球的公转和公转轨道来说明。

地球仪的设计者多半把地轴弄成斜的。人们通常以地球“斜着身子”绕太阳运动，来比喻地轴同轨道面的关系，习惯上总是把轨道面当作水平面， 而把地轴和赤道面看成斜的。其实，地理上的方向是同地球自转相联系的： 南北方向就是地轴和经线的方向，东西方向则是赤道和纬线的方向；同时， 地图学上有“上北下南，左西右东”的表示方向的习惯。把这样的方向延伸到宇宙空间，应用于地球公转，那么，地轴应该是直的，赤道面是平的，而轨道面只能斜的（图 4-3）。黄赤交角的确切含义，是黄道（轨道）面对于赤道面的倾斜。这里，倾斜的是黄道面，而赤道面只是作为比较标准而存在的。

图 4-3 黄赤交角的确切含义是黄道（轨道）面对于赤道面的倾斜。如以地球自转的方向为向东，那么，地球在向东公转的同时，还有其南北的分量，

造成太阳直射点的南北移动

大家知道，地球自转方向向东，地球公转方向也向东，但此东与彼东的方向有 23°26′的差异。我们把地球自转方向视为正东，那么，地球的轨道运动除向东外，还有其南北的分量。正是这个南北分量，造成地球和太阳的回归运动。

如图 4-4 所示，在每年的北至日（北半球的夏至日），地球位于其轨道的最南点。这时，从地球上看来，太阳位于黄道上的北至点，因而直射点落在地球的北回归线上。反之，在每年的南至日（北半球的冬至日），地球到达轨道上的最北点，太阳相应地位于黄道上的南至点，因而直射在地球的南回归线。每年的升分和降分日（北半球的春秋二分日），地球位于轨道南北两端的中点。这时，太阳相应地位于黄道上的升分点和降分点，因而直射在地球的赤道上。

图 4-4 地球公转的南北分量造成地球和太阳的回归运动

从每年的南至日到次年的北至日，地球从轨道上的最北点移到最南点， 行程约为 470 000 000km（轨道周长的一半），两点间的直线距离约 300 000

000km（轨道平均直径），其中有向南分量为 300 000 000km×sin23°26′

＝120 000 000km。在这期间，太阳在天球上相应地从黄道的南至点移到北至点，其赤纬从-23°26′变为 23°26′；太阳直射点从地球上的南回归线移到北回归线。

反之，从每年的北至日到南至日，地球经过相应的行程，从轨道的最南点移到最北点。在此期间，太阳从黄道的北至点移到南至点，赤纬由 23°26

′减为-23°26′；太阳直射点由北回归线移至南回归线。

总之，太阳相对于天赤道的回归运动，是地球公转的南北分量造成的。120 000 000km 的南北分量，造成太阳赤纬 23°26′×2＝ 46°52′的

变化。这就是说，地球在其轨道的南北方向上，每改变 700 余 km，太阳赤纬就改变 1′。按照这个速度，在春秋分前后，太阳赤纬每分钟增减约 1″。这时，地球公转的南北分量最大，约为 30 × sin23° 26 ′ = 12km/s ，即720km/min。

图 4-5 地球轨道运动的南北分量