太陽全年在天空中的運動，「畫」出了一個美麗的「8字曲線」

每天在同一時間拍攝的太陽照片將產生這裡所看到的視覺模式，稱為「8字曲線」。這個被壓縮的8字形狀是由於地球在太空中軌道的變化造成的。在一天中的任何時候，理論上你都可以設置一個相機來拍攝太陽在天空中的位置。如果你在第二天的同一時間回來，你會發現太陽的位置發生了非常微小的變化。如果你一整年每天都這樣做，你會發現兩件重要的事情:

太陽最終會回到它的起點，就像地球在軌道上從一年前回到同一點一樣。你描繪出來的形狀看起來像一個8字圖，一個環路比另一個大:一個被稱為「8字曲線」的形狀。地球每年繞太陽運行一次的事實解釋了第一部分。但是，太陽以其特殊的8字曲線形狀運動是由於深層原因的綜合作用。讓我們找出原因。

地球繞太陽公轉的軌道，其旋轉軸如圖所示。我們太陽系的所有行星都是由它們的軸向傾斜、軌道的橢圓度或兩者的結合來決定季節的變化的。太陽的表觀運動的第一個主要因素是地球在繞太陽運行的同時傾斜於它的軸。地球的軸向傾斜約23.5°確保觀察員在不同的位置會看到太陽從地平線達到更高或更低位置。當半球向太陽傾斜時，太陽的最大位置將上升到離天頂更近的位置，而當半球平鋪時，太陽的最大位置將離天頂更遠。

當地球的一半向太陽傾斜時，太陽穿過天空的路徑看起來更長，上升得更高，給我們更多的日光。軸向傾斜是地球上四季變化的原因，也解釋了為什麼夏至和冬至一天的長度和性質會有如此大的差異。

太陽在冬至時穿過天空的視路徑，在緯度20度(左)的赤道附近與在緯度70度(右)的遠離赤道的地方有很大的不同。從後者的位置看，在冬至期間太陽是看不見的，因為軸向傾斜大於與北極的緯度差。一般來說，在整個地球上，太陽似乎是在天空的東部升起，向著赤道方向，然後下降，在西方落下。如果你住在：

南部23.5°S緯度,夏至是太陽的最短,最低路徑穿過天空,冬至是最長的,最高的路徑。北緯23.5°以北,冬至是太陽的最短,最低路徑穿過天空,夏至這是最長的,最高的路徑。從任何位置，如果你要跟蹤全年的太陽位置——比如通過針孔照相機——這就是你所看到的。

太陽穿過天空的觀測路徑可以用針孔攝像機追蹤，從冬至到冬至。最低的路徑是冬至，太陽相對於地平線從下降到上升，而最高的路徑對應於夏至。但是太陽並不是簡單地以對稱的形狀在天空中起落。日落和日出的時間在一年中是不同的。隨著季節的變化，太陽會在不同的時間到達最高點，而不僅僅是每天中午。

這在很大程度上是由於造成太陽全年明顯運動的第二個主要因素:地球圍繞太陽的軌道是橢圓形的，而不是圓形的。

在橢圓軌道上運行並不僅僅意味著地球在其軌道上的某些點離太陽更近或更遠。根據開普勒第二定律，它還意味著當地球接近太陽(近日點)時，它擁有更快的軌道速度;當地球遠離太陽(遠日點)時，它擁有更慢的軌道速度。

由於角動量守恆，行星在它們的軌道上穩定地運動。由於無法獲得或失去角動量，它們在未來的很長一段時間內都保持在各自的橢圓軌道上。地球大約在每年的1月3日離太陽最近，而7月初離太陽最遠。就其本身而言，這不會有太大的區別，但現在我們需要加入另一個因素:地球不會每24小時自轉一次。相反,地球轉360°是23小時56分鐘;一天需要24小時，因為這額外的4分鐘「趕上」了地球繞太陽公轉的距離。

在一天中，當地球以平均速度繞太陽運行時，24小時剛好合適。但是當地球移動得更慢(接近遠日點)時，24小時對於太陽回到相同的位置來說太長了，所以太陽移動的速度似乎比平均速度慢。同樣地，當地球運動得更快(接近近日點)，24小時不足以讓太陽回到它開始的位置，所以它移動得更快。

我們軌道的橢圓形(左)和軸向傾斜(中)對太陽在天空中的位置的影響結合在一起形成了我們從地球上觀察到的「8字曲線」形狀(右)。如果只有軸向傾斜，而我們的軌道是一個完美的圓，那麼太陽在天空中的軌跡就是一個完美的圖形——8:水平軸和垂直軸的對稱。

如果我們生活在一個橢圓軌道沒有軸向傾斜的行星上，那麼太陽穿過天空的路徑就是一個橢圓:在這個橢圓中，偏心是唯一影響太陽運動的因素。這是發生在木星和金星的大致情況，在那裡軸向傾斜是可以忽略的。

但是在地球上，我們有一個橢圓軌道和一個顯著的軸向傾斜，所以這兩個影響都是顯著的。特別是，當我們把它們結合在一起時，我們可以立即看到為什麼我們的「8字曲線」看起來像一個「8」，被夾在一個狹窄的一側。

當地球繞軸旋轉並以橢圓軌道繞太陽公轉時，太陽的表觀位置似乎每天都在以這種特殊的形狀變化:地球的「8字曲線」。在地球上，近日點發生在1月3日:也就是12月至日之後的兩周。由於我們的星球在接近冬至時候以最快的速度運動，這就使得「8字曲線」的「下」面比「上」面大得多，後者與7月初和夏至的遠日點重合。

綜上所述，我們可以把這些效應結合起來，得出太陽在任何特定時間從地球上任何位置所處位置的方程。我們把這個導出的量叫做時間方程。

時間的方程是由行星軌道的形狀和軸向傾斜以及它們的排列方式決定的。在最接近夏至的幾個月里(當地球接近遠日點時，也就是離太陽最遠的位置)，它的移動速度最慢，這就是為什麼「8字曲線」的這一段看起來是收縮的，而發生在近日點附近的冬至被拉長的原因。總的來說，只有軸向傾斜和橢圓度決定了每天從地球上同時觀察到的太陽路徑的形狀。地球的「變色龍」固定在這個特殊的形狀。

但在確定8字曲線的確切方位時，還有另外兩個因素在起作用。一個是你在地球上的位置:來自北半球的觀測者會看到小的「8字曲線」環路出現在高空中，大環路出現在低空中，而南半球的觀測者會看到相反的情況。

另一個是你在一天的什麼時候拍照。如果:

中午，當太陽到達最高點時，8字曲線會完全垂直。在中午之前，在太陽到達最高點之前，從中午的位置開始，8字曲線似乎是逆時針旋轉的。正午過後，當太陽到達最高點後，從正午的位置順時針旋轉的8字曲線就會出現。從凱撒·坎圖全年52張拼接在一起的照片中，你可以看出，他在傍晚時分從墨西哥的緯度拍攝的太陽。

在365天的時間裡，太陽不僅在天空中上下移動，這不僅是由我們的軸向傾斜決定的，而且還由我們圍繞太陽的橢圓軌道決定的。當這兩種效果結合在一起時，圖中所示的圖形被稱為「8字曲線」。很容易看出，最高點對應著夏至，最低點對應著冬至，但從地球上看，太陽的「8字曲線」的「交點」並沒有特殊的天文意義。大約發生在4月14日和8月30日，這些日期只由我們的季節決定，由軸向傾斜決定，與我們的行星圍繞太陽的軌道一致。

如果我們的近日點和遠日點與二分點而不是二至點對齊，我們就會得到一個淚滴形的8字曲線，而不是從火星上看太陽的8字曲線。「8字曲線」是太陽經過一段時間後描繪出來的美麗、自然的形狀，創建了一個數字8，這是我們的軌道和軸向傾斜導致的。享受太陽在我們的天空中的運動，因為它獨特的宇宙旋轉是由於我們的星球在太空中的獨一無二的運動造成的!

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