Солнечная дорожка

Траектория Солнца на полярном графике для любой точки на широте Роттердама.

Путь Солнца , иногда также называемый дневной дугой , относится к дневному и сезонному дугообразному пути, по которому Солнце , кажется, следует по небу , когда Земля вращается и вращается вокруг Солнца. Путь Солнца влияет на продолжительность дневного времени и количество дневного света, получаемого на определенной широте в течение данного сезона.

Относительное положение Солнца является основным фактором притока тепла в зданиях и производительности солнечных энергетических систем. ^{[ 1 ]} Точные знания о траектории движения солнца и климатических условиях в зависимости от конкретного местоположения необходимы для принятия экономических решений относительно площади солнечного коллектора , ориентации, ландшафтного дизайна, летнего затенения и экономически эффективного использования солнечных трекеров . ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}

Углы

Зенитный угол Солнца — это зенитный угол Солнца , т. е . угол между солнечными лучами и вертикальным направлением . Это дополнение к высоте Солнца или высоте Солнца, которая представляет собой угол высоты или угол возвышения между солнечными лучами и горизонтальной плоскостью . ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]} В солнечный полдень зенитный угол минимален и равен широте минус угол склонения Солнца . Это основа, с помощью которой древние мореплаватели путешествовали по океанам. ^{[ 6 ]} Угол солнечного зенита обычно используется в сочетании с углом солнечного азимута для определения положения Солнца , наблюдаемого из данного места на поверхности Земли.

Влияние наклона оси Земли

Траектории солнца на любой широте и в любое время года можно определить на основе базовой геометрии . ^{[ 7 ]}^{[ ненадежный источник? ]} Земли Ось вращения наклоняется примерно на 23,5 градуса относительно плоскости орбиты Земли вокруг Солнца . Поскольку Земля вращается вокруг Солнца, это создает в склонении разницу Солнца в период солнцестояния в 47° , а также специфичную для полушария разницу между летом и зимой.

В Северном полушарии зимнее солнце (ноябрь, декабрь, январь) восходит на юго-востоке, проходит под небесный меридиан небольшим углом на юге (более 43° над южным горизонтом в тропиках), а затем заходит в северном полушарии. юго-запад. Весь день он находится на южной (экваториальной) стороне дома. Вертикальное окно, выходящее на юг (сторона экватора), эффективно улавливает солнечную тепловую энергию . Для сравнения, зимнее солнце в Южном полушарии (май, июнь, июль) восходит на северо-востоке, достигает максимума под небольшим углом на севере (более чем на полпути от горизонта в тропиках), а затем заходит на северо-западе. . Окно, выходящее на север, пропускало в дом большое количество солнечной тепловой энергии.

В Северном полушарии летом (май, июнь, июль) Солнце восходит на северо-востоке, достигает максимума немного южнее верхней точки (ниже на юге и на более высоких широтах ), а затем заходит на северо-западе, тогда как в Южном полушарии летом (ноябрь, декабрь, январь) Солнце восходит на юго-востоке, достигает пика немного севернее верхней точки (ниже на севере и на более высоких широтах), а затем садится на юго-западе. Простой навес со стороны экватора, зависящий от широты, можно легко спроектировать так, чтобы блокировать 100% прямого солнечного света от попадания в вертикальные окна, обращенные к экватору, в самые жаркие дни года. Свертывающиеся наружные жалюзи, внутренние полупрозрачные или непрозрачные оконные одеяла, шторы, ставни, подвижные решетки и т. д. можно использовать для ежечасного, дневного или сезонного контроля солнечного света и теплопередачи (без активного электрического кондиционирования воздуха).

Во всем мире во время равноденствий (20/21 марта и 22/23 сентября), за исключением полюсов, солнце восходит строго на востоке и садится строго на западе. В Северном полушарии пик солнца в день равноденствия приходится на южную половину (примерно на полпути от горизонта на средней широте) неба, а в Южном полушарии пик Солнца приходится на северную половину неба. Когда солнце обращено к экватору, кажется, что оно движется слева направо в северном полушарии и справа налево в южном полушарии.

Различия в пути солнечной энергии, специфичные для широты (и полушария), имеют решающее значение для эффективного проектирования пассивных солнечных зданий . Это важные данные для оптимального сезонного оформления окон и свесов. Проектировщики солнечной энергии должны знать точные углы прохождения солнечной энергии для каждого места, для которого они проектируют, и как они соотносятся с сезонными требованиями к отоплению и охлаждению в зависимости от места.

В США точные значения сезонной траектории движения Солнца по высоте и азимуту для конкретного местоположения можно получить в NOAA : «экваторная сторона» здания находится на юге в северном полушарии и на севере в южном полушарии , где происходит пик летнего солнцестояния. Высота Солнца наступает 21 декабря.

Тень вертикальной палки в солнечный полдень

На экваторе полуденное Солнце будет находиться прямо над головой, и поэтому в дни равноденствий вертикальная палка не будет отбрасывать тени . На тропике Рака (около 23,4° с.ш.) вертикальная палка не будет отбрасывать тень во время июньского солнцестояния ( лето в северном полушарии ), а в остальное время года ее полуденная тень будет указывать на Северный полюс. На тропике Козерога (около 23,4° ю.ш.) вертикальная палка не будет отбрасывать тень во время декабрьского солнцестояния ( лето в южном полушарии ), а в остальное время года ее полуденная тень будет указывать на Южный полюс. К северу от тропика Рака полуденная тень всегда будет указывать на север, а к югу от тропика Козерога полуденная тень всегда будет указывать на юг.

Продолжительность светового дня

В пределах полярных кругов (к северу от Полярного круга и к югу от Полярного круга ) каждый год будет по крайней мере один день, когда Солнце будет оставаться ниже горизонта в течение 24 часов (в день зимнего солнцестояния ), и по крайней мере один день, когда Солнце остается над горизонтом 24 часа (в день летнего солнцестояния ).

В средних широтах продолжительность дня , а также высота и азимут Солнца меняются изо дня в день и от сезона к сезону. Разница между продолжительностью длинного летнего дня и короткого зимнего дня увеличивается по мере удаления от экватора . ^{[ 2 ]}

Визуализация 1

следующие виды с Земли, на которых отмечены почасовые положения Солнца На изображениях ниже показаны в оба дня солнцестояния. Соединившись, солнца образуют две дневные дуги — пути, по которым Солнце движется по небесной сфере в своем суточном движении . Более длинная дуга всегда представляет собой путь середины лета, а более короткая дуга — путь середины зимы. Две дуги находятся на расстоянии 46,88 ° (2 × 23,44 °) друг от друга, что указывает на разницу в склонении между солнцами солнцестояния.

Кроме того, некоторые «призрачные» солнца видны ниже горизонта , на глубине до 18°, во время которых наступают сумерки . Снимки могут быть использованы как для северного, так и для южного полушария Земли . Теоретический наблюдатель должен стоять возле дерева на небольшом острове посреди моря. Зеленые стрелки обозначают стороны света .

В Северном полушарии север находится слева. Солнце восходит на востоке (дальняя стрелка), достигает кульминации на юге (вправо), двигаясь вправо, и заходит на западе (ближняя стрелка). Как восходящее, так и установочное положение смещаются к северу в середине лета и к югу в середине зимы.
В Южном полушарии юг находится слева. Солнце восходит на востоке (ближняя стрелка), достигает кульминации на севере (справа), двигаясь влево, и заходит на западе (дальняя стрелка). Как восходящее, так и установочное положение смещаются к югу в середине лета и к северу в середине зимы.

Изображены следующие случаи:

На абстрактной линии экватора ( 0° широты) максимальная высота Солнца велика в течение всего года, но оно не образует идеальный прямой угол с землей в полдень каждый день. На самом деле это происходит два дня в году, во время равноденствий. Солнцестояния — это дни, когда Солнце находится дальше всего от зенита , но в этих случаях оно также находится высоко в небе, достигая высоты 66,56 ° на севере или на юге. Все дни в году, включая солнцестояния, имеют одинаковую продолжительность – 12 часов.
Дуги дня солнцестояния, если смотреть с 20° широты . Солнце достигает кульминации на высоте 46,56° зимой и 93,44° летом. В этом случае угол больше 90° означает, что кульминация происходит на высоте 86,56° в противоположном кардинальному направлению. Например, в южном полушарии Солнце зимой остается на севере, но в середине лета может достигать зенита на юге. Летние дни длиннее зимних, но разница составляет не более примерно двух с половиной часов. Дневной путь Солнца круглый год крутой у горизонта, в результате чего сумерки продолжаются всего около одного часа и 20 минут утром и вечером.
Дуги дня солнцестояния, если смотреть с 50 ° широты. Во время зимнего солнцестояния Солнце поднимается не более чем на 16,56° над горизонтом в полдень, а в день летнего солнцестояния на 63,44° над тем же направлением горизонта. Отсюда и на север разница в продолжительности дня между летом и зимой начинает бросаться в глаза – чуть более 8 часов во время зимнего солнцестояния и более 16 часов во время летнего солнцестояния. Аналогичным образом обстоит дело и с разницей в направлении восхода и захода солнца. На этой широте в полночь (около часа ночи по летнему законному часу) летнее солнце находится на 16,56° ниже горизонта, а это означает, что астрономические сумерки продолжаются всю ночь. Это явление известно как серые ночи , ночи, когда не становится достаточно темно, чтобы астрономы могли проводить наблюдения глубокого неба . Выше 60° широты Солнце будет ещё ближе к горизонту, всего на расстоянии 6,56° от него. Далее почти всю ночь продолжаются гражданские сумерки , лишь немного морские сумерки около местной полуночи наступают . Выше 66,56° широты закат вообще не бывает — явление, называемое полуночное солнце .
Дуги дня солнцестояния, если смотреть с 70 ° широты. В полдень по местному времени зимнее Солнце достигает кульминации при температуре -3,44°, а летнее Солнце - при 43,44°. Другими словами, зимой Солнце не поднимается над горизонтом, это полярная ночь . Однако будут еще сильные сумерки. В полночь по местному времени летнее Солнце достигает кульминации на отметке 3,44°. Другими словами, он не устанавливается; это полярный день.
Дуги дня солнцестояния, если смотреть с любого полюса (90 ° широты). Во время летнего или зимнего солнцестояния Солнце находится на 23,44° выше или ниже горизонта соответственно, независимо от времени суток. Пока Солнце находится наверху (в летние месяцы), оно кружит по всему небу (по часовой стрелке от Северного полюса и против часовой стрелки от Южного полюса ), кажется, что оно остается под одним и тем же углом к горизонту, поэтому концепция дня или ночь бессмысленна. Угол возвышения будет постепенно меняться в течение годового цикла: Солнце достигает своей наивысшей точки во время летнего солнцестояния и восходит или заходит в день равноденствия, с длительными периодами сумерек, продолжающимися несколько дней после осеннего равноденствия и до весеннего равноденствия.

Дуги дня солнцестояния, если смотреть с выбранных широт

0° широты ( экватор )
20° широты
50° широты
70° широты
90° широты ( любой полюс )

Визуализация 2

Публикация 2021 года ^{[ 8 ]} о солнечной геометрии сначала вычисляет x-, y- и z-компоненты солнечного вектора, который представляет собой единичный вектор, хвост которого зафиксирован в месте нахождения наблюдателя, а голова продолжает указывать на Солнце, а затем использует эти компоненты для вычисления Угол зенита Солнца и угол азимута Солнца . Рассчитанный солнечный вектор с шагом в 1 час за весь год как в дневное, так и в ночное время можно использовать для эффективной визуализации траектории Солнца.

На следующих рисунках начало системы координат — это местоположение наблюдателя, положительное значение x — восток, положительное значение y — север, положительное значение z — вверх; на Северном полюсе y-отрицательный касается нулевого меридиана; на Южном полюсе положительный знак Y касается нулевого меридиана; z-положительный — дневное время, z-отрицательный — ночное время; шаг по времени составляет 1 час.

Каждая цифра «8» на всех рисунках представляет собой аналемму, соответствующую определенному часу каждого дня года; все 24 часа в определенный день года изображают путь солнца в этот день.

См. также

Ссылки

^ «Информация о солнечных ресурсах» . Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии . Проверено 28 марта 2009 г.
^ Jump up to: ^а ^б Хаврус, В.; Шелевицкий, И. (2010). «Введение в геометрию движения Солнца на основе простой модели» . Физическое образование . 45 (6): 641. Бибкод : 2010PhyEd..45..641K . дои : 10.1088/0031-9120/45/6/010 . S2CID 120966256 .
^ Хаврус, В.; Шелевицкий, И. (2012). «Геометрия и физика времен года» . Физическое образование . 47 (6): 680. дои : 10.1088/0031-9120/47/6/680 . S2CID 121230141 .
^ Джейкобсон, Марк З. (2005). Основы моделирования атмосферы (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета . п. 317 . ISBN 0521548659 .
^ Хартманн, Деннис Л. (1994). Глобальная физическая климатология . Академическая пресса . п. 30 . ISBN 0080571638 .
^ Бонан, Гордон (2005). Экологическая климатология: понятия и приложения . Издательство Кембриджского университета. п. 62. ИСБН 9781316425190 . Проверено 13 ноября 2019 г. .
^ Либрорум, Хеллуо (2012). «Заметки из Ноосферы: Простая геометрия траекторий Солнца, Луны и звезд» . NotesfromnoSphere.blogspot.com . Проверено 19 сентября 2013 г.
^ Чжан Т., Стэкхаус П.В., Макферсон Б. и Миковиц Дж.К., 2021. Формула солнечного азимута, которая делает ненужным косвенное рассмотрение без ущерба для математической строгости: математическая установка, применение и расширение формулы, основанной на подсолнечной точке. и функция atan2. Возобновляемая энергия , 172, 1333–1340. DOI: https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.03.047.

Внешние ссылки

[1] «Информация о солнечных ресурсах» . Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии . Проверено 28 марта 2009 г.

[SunModel-2] Jump up to: ^а ^б Хаврус, В.; Шелевицкий, И. (2010). «Введение в геометрию движения Солнца на основе простой модели» . Физическое образование . 45 (6): 641. Бибкод : 2010PhyEd..45..641K . дои : 10.1088/0031-9120/45/6/010 . S2CID 120966256 .

[SunModel2-3] Хаврус, В.; Шелевицкий, И. (2012). «Геометрия и физика времен года» . Физическое образование . 47 (6): 680. дои : 10.1088/0031-9120/47/6/680 . S2CID 121230141 .

[4] Джейкобсон, Марк З. (2005). Основы моделирования атмосферы (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета . п. 317 . ISBN 0521548659 .

[Solar_zenith_angle_hartmann-5] Хартманн, Деннис Л. (1994). Глобальная физическая климатология . Академическая пресса . п. 30 . ISBN 0080571638 .

[6] Бонан, Гордон (2005). Экологическая климатология: понятия и приложения . Издательство Кембриджского университета. п. 62. ИСБН 9781316425190 . Проверено 13 ноября 2019 г. .

[7] Либрорум, Хеллуо (2012). «Заметки из Ноосферы: Простая геометрия траекторий Солнца, Луны и звезд» . NotesfromnoSphere.blogspot.com . Проверено 19 сентября 2013 г.

[Zhangetal-8] Чжан Т., Стэкхаус П.В., Макферсон Б. и Миковиц Дж.К., 2021. Формула солнечного азимута, которая делает ненужным косвенное рассмотрение без ущерба для математической строгости: математическая установка, применение и расширение формулы, основанной на подсолнечной точке. и функция atan2. Возобновляемая энергия , 172, 1333–1340. DOI: https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.03.047.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]