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日行迹

天文学上,日行迹(Analemma,发音为 /nlm/,希腊语意为日晷的底座)是在天球上的一条曲线,用来表示观测者在某一天体上观测另一个天体(通常是太阳)在观测者所在天体的天球赤道上平均位置与实际位置之间的角偏差。例如我们知道地球的朔望日(Synodic day)接近二十四小时,可借着在一整年中每天相同的时间标定太阳在天球上的位置绘出日行迹。最后绘出的日行迹曲线是阿拉伯数字8的形状。这条曲线通常可以画在地球仪上,通常是在唯一热带地区很少陆地的东太平洋地区最有可能绘出。虽然拍摄下日行迹是相当具有挑战性的,但只要借着将相机放在固定位置一整年并以24小时(或其倍数)的间隔拍摄一次,仍然可能拍摄成功。

日行迹南北向的部份则是其赤纬,也就是太阳直射的纬度。东西向的部份则是均时差,是太阳日地方平时的差值。这可以解释为什么太阳的速度和时钟时间相比会时“快”时“慢”。有三个因素会影响日行迹的大小和形状:转轴倾角轨道离心率以及至点的线和拱线(Apse line)交角。对于有完美圆型轨道和转轴无倾角的天体而言,一年中太阳总是在每天同一时间位于同一地点,因此日行迹将会是一个点。而有圆型轨道但转轴有倾斜角的天体,其日行迹是阿拉伯数字8的形状,且北半部的圈和南半部的圈尺寸相等。椭圆型轨道但转轴无倾角的天体,则是沿着赤道的东西向直线。

包含日全食影像的日行迹则被称为Tutulemma,是由天文摄影师创造出的术语,由来自土耳其语的日食。

地球的北半球观测到的日行迹,地平纬度和地平经度比例相同

地球的日行迹因为地球自转轴有倾斜角度 (23.439°) 和公转轨道是椭圆形,太阳在地平线上每天同一时间观测的相对位置并不相同。取决于观测者的所在纬度,日行迹的圈会以不同角度倾斜。

左边的图示在地球北半球观测到的日行迹范例。这图是英国格林尼治天文台(纬度 51.4791°N、经度 0°)在2006年期间每天中午12:00观测太阳位置的结果。水平轴是方位角,单位是角度(180°是对着南方)。垂直轴则是仰角,也就是地平线上太阳位置和地平线的角度差,单位是角度。每个月的第一天是黑色的,至点和分点则是绿色。这里可看到分点是位在仰角φ = 90° ? 51.4791° = 38.5209°,至点则是在仰角φ ± ε,ε 是地球的转轴倾角 23.439°。该图的宽度部分大幅放大,可看出日行迹的形状是稍微不对称的(这是因为地球轨道的拱点和两个至点之间有两星期的差异)。

日行迹向东的循环圈较小,向北的则较大。

请参见均时差以进一步了解日行迹东西向的特性。

如果你在每天同一时间为太阳拍一张照片,太阳的位置会保持不变吗? 答案是不会,太阳在一年当中所经过的轨迹形状就叫做日行迹(analemma)。

太阳位置的变动起因于当地球绕日运行时地球自转轴相对于绕日轨道平面是倾斜的。夏天时,太阳会出现在日行迹的至高点,到了冬天,太阳就降到日行迹的最低点。而在不同纬度上制造出的日行迹会呈现些微的差异,每天不同时段制作出的日行迹也不一样。

此外,这种倾斜还会造成一年中每天的日长并不相等:春分、秋分前后的日长较短;而冬至夏至前后的日长较长。再者,由于地球轨道为椭圆,也会造成日长的变化。这就使得一年当中太阳有东西向的循环移动。注意!这里不是指每天太阳的东升西落,而是说每天同一时刻太阳在天空的位置有东西向的变化。遗憾的是,这种现象却是容易被人忽视的。

这几种因素叠加在一起,就产生了“8”字形的日行迹

在不同纬度上拍摄的日行迹照片会有差异;不同时刻拍摄的日行迹照片也不一样。

左图照片是从1998 年8月到1999 年8月,花了整整一年的时间于乌克兰拍摄而成,前景照则是于1999 年7月的傍晚在同一位置拍摄的。

火星上的日行迹

地球上的日行迹是阿拉伯数字8的形状,但在其他太阳系天体上则可能不同[4],这是因为每个天体自己的自转轴倾斜角度和公转轨道形状不同的缘故。

以下列表中的“日”和“年”是指各天体自己的朔望日和恒星年:

水星:轨道共振造成一个水星日相当于两个水星年,在地球上每天同一时间观测太阳位置标定的方式只会画出一个点;但可算出一年中任一时候的均时差,仍可画出日行迹。最后会画出一个东西向接近直线的日行迹。

金星:因为金星上的一年稍微少于两个金星日,必需拍摄数年影像完成整个日行迹。形状是椭圆形。

火星:泪滴状

木星:椭圆形

土星:严格地说是阿拉伯数字8的形状,但北方的循环圈很小,因此相当接近泪滴状。

天王星:阿拉伯数字8的形状

海王星:阿拉伯数字8的形状

冥王星:阿拉伯数字8的形状

相关解释:

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