Азимут и высота солнца над горизонтом
Вычисление азимута и высоты солнца над горизонтом по заданным координатам и времени наблюдения. Возможно как задание координат вручную, так и выбор значения из справочника городов.
Продолжаем тему, начатую статьей Восход и закат солнца.
На повестке дня вычисление азимута солнца и его высоты над горизонтом в любой момент времени в точке с заданными координатами. Азимут мы откладываем от севера по часовой стрелке.
Алгоритм расчета взят отсюда. Описал его какой-то хороший швед. Он старался как мог, но все равно для стороннего человека ничего не понятно. Например, я могу еще понять, как мы переходим от одной системы координат к другой, но понять, почему долгота перигелия солнца вычисляется как
, где d — количество дней от эпохи J2000 — это уже выше моих сил.
Видимо где-то далеко, в башне из слоновой кости, сидят астрономы, и все эти цифры рассчитывают, а потом все остальные смертные их используют. Может быть какой-нибудь астроном когда-нибудь расскажет о том, как это все происходит; пока же пришлось взять на веру все эти магические цифры и воплотить расчет в жизнь. Очевидно, так делает большинство.
Есть несколько книг, которые обычно рекомендуют людям на форумах, когда не хотят отвечать развернуто, типа, «смотри вон там», и я тоже приведу их здесь:
Jean Meeus. Astronomical algorithms
Peter Duffett-Smith. Practical Astronomy with your calculator.
Как и в случае калькуляторов для расчета времени восхода и захода солнца, ниже представлены два калькулятора — первый берет информацию о координатах и часовом поясе из справочника городов, т. е. остается только выбрать город и ввести время наблюдения; а второй позволяет задать координаты и часовой пояс «вручную». Информацию о городах могут добавлять в справочник зарегистрированные пользователи.
Отрицательная высота над горизонтом соответствует темному времени суток — солнце «под» горизонтом. Пересечение с горизонтом утром происходит примерно на азимуте 90 градусов, из чего можно сделать смелый вывод, что солнце восходит все-таки на востоке.
Paul Schlyter (это швед) утверждает, что ошибка в расчетах не превышает одной угловой минуты для дат в диапазоне 1900 – 2100.
Источник
Восход и закат Солнца
Временные отрезки, когда верхний край солнечного диска находится на линии горизонта, называются восходами и закатами. Причиной восхода и захода Солнца является вращение планеты вокруг звезды и собственной оси. Если бы Земля не имела шарообразную форму, не двигалась по орбите, то дневное светило постоянно стояло бы в зените. В таких условиях существование жизни на планете было бы исключено.
Что такое восход
Восход – временной отрезок, когда верхний край Солнца появляется над горизонтом. В астрономии под термином подразумевается полное прохождение солнечного диска через линию горизонта.
Под влиянием атмосферы земной наблюдатель видит восход немного раньше, чем при условии, если бы на планете отсутствовал атмосферный слой. Причем явление начинается раньше, когда наблюдатель перемещается на большую высоту.
С земной поверхности величина солнечного углового диаметра составляет 30 минут дуги (или 0,5°). Этот факт подразумевает, что длительность дня должна немного превышать половину солнечных суток. Но на длительность дня оказывает существенное влияние атмосферная рефракция.
Рефракция (или преломление) – искривление солнечных лучей, проходящих сквозь земную атмосферу. Восходящее солнце визуализируется примерно на 35 минут дуги выше, чем могло бы быть на планете без атмосферы. Поэтому для земного наблюдателя восход наступает раньше реального времени.
В результате рефракционного изменения:
- в экваториальных широтах день удлиняется примерно на 10 минут;
- в умеренных широтах – до 30 минут;
- в полярных областях – до 2 суток.
Что такое закат
Закат – физическое явление, подразумевающее уход верхнего края солнечного диска под горизонт. В астрономии под термином подразумевается полный процесс прохождения Солнца вниз через линию горизонта.
Время заката, как и восхода, сдвигается под влиянием атмосферной рефракции. Видимый с Земли закат наблюдается позже, чем происходит в действительности. Также время захода Солнца отодвигается, когда наблюдатель перемещается на высотное место.
Откуда восходит и куда заходит Солнце
Для большинства людей ответ очевиден: Солнце восходит на востоке, уходит за горизонт на западе. Но это обобщенное представление. В действительности восход строго на востоке и закат строго на западе бывает только 2 раза в год – при весеннем и осеннем равноденствии.
В остальное время года светило движется с севера на юг. Каждый день точки соприкосновения Солнца с горизонтом при восходе и закате немного смещаются. Во время июньского солнцестояния восход отмечается в максимальной северо-восточной точке. Далее изо дня в день светило восходит чуть южнее. Во время сентябрьского равноденствия садится Солнце точно на западе, поднимается точно на востоке.
В экваториальных широтах движение Солнца вне зависимости от сезона года происходит перпендикулярно горизонту.
Восход и закат – короткие этапы начала и завершения дня. Более длительны по времени сумерки – промежуточный этап становления дня ночью, и наоборот. Утренние сумерки – временной промежуток между рассветом и восходом, вечерние – между заходом и закатом. Длительность сумеречного периода определяется точкой наблюдения на планете, календарной датой.
При сумерках солнечный диск подходит снизу почти к самой линии горизонта, в результате чего световые лучи, частично попадающие в верхние атмосферные слои, достигают планетарной поверхности. В разных широтах длительность сумеречного периода неодинакова:
- на экваторе 20 – 30 минут;
- в умеренных широтах примерно 2 часа;
- в субполярных областях – несколько суток;
- в полярных областях до 3 недель.
Из-за вращения планеты в разных частях света время солнечных восходов и заходов неодинаково. Относительно Гринвича раньше всех восходы встречают не японцы, как многие думают, а острова Кирибати, находящиеся на крайнем восточном меридиане, позже всех – ближние к Аляске острова Алеутского архипелага, расположенные на крайнем западном меридиане.
Длительность светового времени суток непостоянна, следовательно, в течение года сдвигается время закатов и восходов. В северном полушарии летние дни длиннее зимних, в южном наоборот. Также длительность дня неодинакова в разных широтных зонах: с повышением широты дни укорачиваются.
График восходов и заходов для определенного сезона года и конкретной широты можно найти в календарях, а можно посмотреть на специальных сервисах в интернете.
Как отличить закат от рассвета
Когда восходит и заходит Солнце, наблюдается красивое оптическое явление – окрашивание неба и земной поверхности лучами в различные цвета. Причем визуально определить, где закатное небо, а где рассветное, можно по преобладающей гамме. Рассветные тона более нежные и холодные, с преобладанием розовых, лиловых, голубых оттенков. А на закате небо имеет насыщенные оттенки красного и желтого цвета, реже наблюдаются зеленоватые участки неба и освещенной земной поверхности.
Более глубокие и яркие цвета заката объясняются тем, что в течение дня земная поверхность нагревается, теряет влагу, воздушные потоки движутся быстрее, захватывая пылевые частицы. Проходя сквозь пылевую взвесь в атмосфере, закатный солнечный свет рассеивается, тускнеет, обретает красные оттенки. Обусловлено это тем, что красный цвет солнечного спектра, имеющий самую длинную волну, более устойчив к рассеиванию в запыленной и уплотненной атмосфере, чем коротковолновые холодные цвета. А за ночь воздушные слои очищаются, пыль оседает, и рассветное небо отличается большей чистотой и разнообразием оттенков.
Закаты и восходы – невероятное по красоте зрелище даже в городских условиях. Каждый день сотни фотографов в разных уголках планеты запечатлевают великолепие восходящего и заходящего Солнца, создают кадры, от которых сложно оторвать взгляд.
Источник
Путь Солнца — Sun path
ВС путь , иногда называемый также день дугой , относится к суточной и сезонной дуге -like пути , что ВС , кажется, следует по небу , как Земля вращается и орбита Солнца Путь Солнца влияет на продолжительность дневного опытным и количество дневного света , полученный по определенной широте в течение данного сезона.
Относительное положение Солнца является основным фактором притока тепла зданиями и производительности солнечных энергетических систем. Точные данные о пути солнца и климатических условиях в зависимости от местоположения необходимы для принятия экономических решений относительно площади солнечного коллектора , ориентации, ландшафтного дизайна, летнего затенения и экономичного использования солнечных трекеров .
СОДЕРЖАНИЕ
Влияние наклона оси Земли
Пути Солнца на любой широте и в любое время года можно определить с помощью базовой геометрии . Ось Земли от вращения наклоняется около 23,5 градусов , по отношению к плоскости с орбитой Земли вокруг Солнца . Поскольку Земля вращается вокруг Солнца, это создает разницу в склонении на 47 ° между солнечными путями в период солнцестояния , а также особую разницу в полушарии между летом и зимой.
В северном полушарии , зимнее солнце (ноябрь, декабрь, январь) поднимается на юго — востоке, проходит в астрономический меридиан под небольшим углом на юге (более 43 ° над южным горизонтом в тропиках), а затем устанавливает в юго-запад. Он находится на южной (экваториальной) стороне дома в течение всего дня. Вертикальное окно, выходящее на юг (сторона экватора), эффективно улавливает солнечную тепловую энергию . Для сравнения: зимнее солнце в Южном полушарии (май, июнь, июль) встает на северо-востоке, достигает максимума под небольшим углом на севере (более чем на полпути от горизонта в тропиках), а затем садится на северо-западе. . Окно, выходящее на север, пропускало в дом много солнечной тепловой энергии.
В Северном полушарии летом (май, июнь, июль) Солнце встает на северо-востоке, достигает максимума немного южнее точки над головой (ниже на юге на более высоких широтах ), а затем заходит на северо-западе, тогда как в Южном полушарии летом (ноябрь, декабрь, январь) Солнце встает на юго-востоке, достигает максимума немного севернее точки над головой (ниже на севере на более высоких широтах), а затем заходит на юго-западе. Простой зависящий от широты свес со стороны экватора можно легко спроектировать, чтобы блокировать 100% прямого солнечного излучения от попадания в вертикальные окна, обращенные к экватору, в самые жаркие дни года. Скатывающиеся наружные шторы, внутренние полупрозрачные или непрозрачные оконные одеяла, шторы, ставни, подвижные решетки и т. Д. Могут использоваться для ежечасного, ежедневного или сезонного контроля солнечного и теплообмена (без какого-либо активного электрического кондиционирования воздуха).
Повсюду во всем мире во время равноденствий (20/21 марта и 22/23 сентября), за исключением полюсов, солнце встает строго на востоке и заходит строго на западе. В северном полушарии пик солнца равноденствия находится в южной половине (примерно на полпути от горизонта на средней широте) неба, в то время как в южном полушарии пик этого солнца находится в северной половине неба. Если смотреть на экватор, кажется, что солнце движется слева направо в Северном полушарии и справа налево в Южном полушарии.
Различия путей прохождения солнечной энергии в зависимости от широты (и полушария) имеют решающее значение для эффективного проектирования зданий с использованием пассивных солнечных батарей . Это важные данные для оптимального сезонного дизайна окон и свесов. Проектировщики солнечных батарей должны знать точные углы пути прохождения солнечных лучей для каждого места, для которого они проектируют, и их сравнение с сезонными требованиями к отоплению и охлаждению в зависимости от места.
В США точные данные о сезонных траекториях солнечного пути по высоте и азимуту в зависимости от местоположения можно получить от NOAA — «экваториальная сторона» здания находится на юге в Северном полушарии и на севере в Южном полушарии , где находится пик летнего солнцестояния. Солнечная высота приходится на 21 декабря.
Тень вертикальной палки в солнечный полдень
На экваторе солнце будет стоять прямо над головой, и вертикальная палка не будет отбрасывать тени в солнечный полдень в дни равноденствия . Приблизительно в 23,5 градусе к северу от экватора в тропике Рака вертикальная палка не будет отбрасывать тени 21 июня, во время летнего солнцестояния в северном полушарии . В остальное время полуденная тень будет указывать на Северный полюс. Приблизительно в 23,5 градусе к югу от экватора в тропике Козерога вертикальная палка не будет отбрасывать тени 21 декабря, во время летнего солнцестояния для южного полушария , а в остальное время ее полуденная тень будет указывать на Южный полюс. К северу от тропика Рака полуденная тень всегда будет указывать на север, и, наоборот, к югу от тропика Козерога полуденная тень всегда будет указывать на юг.
Солнечные полуденные тени объектов в точках за и ниже подсолнечных точек будут указывать на истинный север и истинный юг соответственно только тогда, когда солнечное склонение имеет максимальное положительное (δ☉ = + 23,44 °) или максимальное отрицательное (δ☉ = −23,44 °) значение. С другой стороны, в дни равноденствия, когда солнце не склоняется ни к северу, ни к югу (δ☉ = 0 °), и солнечные тени в полдень указывают на северо-северо-запад к северу от экватора и на юго-восток к югу от экватора во время весеннего равноденствия (и указывают на северо-северо-восточный север экватора и ЮЮЗ к югу от экватора в период осеннего равноденствия).
Продолжительность светового дня
В полярных кругах ( к северу от полярного круга и к югу от полярного круга ), каждый год будет испытывать по крайней мере один день , когда солнце остается ниже горизонта в течение 24 часов (на день зимнего солнцестояния ), и по крайней мере один день , когда Солнце остается над горизонтом 24 часа (в день летнего солнцестояния ).
В средних широтах (между тропиками и полярными кругами , где проживает большинство людей) продолжительность дня , а также высота и азимут Солнца меняются от одного дня к другому и от сезона к сезону. Разница между продолжительностью длинного летнего дня и короткого зимнего дня увеличивается по мере удаления от экватора .
Визуализация
На рисунках ниже показаны следующие перспективы с Земли, отмечая часовые позиции на Солнце на обоих солнцестояния дней. При соединении солнца образуют две дневные дуги , пути, по которым Солнце, кажется, следует на небесной сфере в своем суточном движении . Более длинная дуга — это всегда путь середины лета, а более короткая — путь середины зимы. Две дуги находятся на расстоянии 46,88 ° (2 × 23,44 °) друг от друга, что указывает на разницу склонений между солнцами солнцестояния.
Кроме того, некоторые «призрачные» солнца видны ниже горизонта на целых 18 ° вниз, во время которых наступают сумерки . Снимки можно использовать как для северного, так и для южного полушарий 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) при движении вправо и заходит на западе (ближняя стрелка). Позиции подъема и заката смещены 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 (вправо) при движении влево и заходит на западе (дальняя стрелка). Позиции подъема и заката смещены 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 не образует идеального прямого угла с землей в полдень каждый день. На самом деле это бывает два дня в году, во время равноденствий. Солнцестояния — это даты, когда Солнце находится дальше всего от зенита, но в любом случае оно также находится высоко в небе, достигая высоты 66,56 ° либо на севере, либо на юге. Все дни в году, включая солнцестояния, имеют одинаковую продолжительность — 12 часов.
- Дуга дня солнцестояния, если смотреть с 20 ° широты . Солнце достигает своей 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 кардинальном направлении. Например, в южном полушарии Солнце зимой остается на севере, но в разгар лета может достигать зенита на юге. Летние дни длиннее зимних, но разница составляет не более примерно двух с половиной часов. Ежедневный путь Солнца крутой у горизонта круглый год, поэтому сумерки длится всего около часа 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, но на 63,44 ° в период летнего солнцестояния над тем же направлением горизонта. Разница в продолжительности дня между летом и зимой, отсюда и на север, начинает бросаться в глаза — чуть больше 8 часов при зимнем солнцестоянии и более 16 часов во время летнего солнцестояния. Точно так же разница в направлении восхода и захода солнца. На этой широте в полночь (около 1 часа ночи в летний юридический час) летнее солнце находится на 16,56 ° ниже горизонта, что означает, что астрономические сумерки продолжаются всю ночь. Это явление известно как серые ночи , ночи, когда астрономы не становятся достаточно темными, чтобы проводить наблюдения за глубоким небом . Выше 60 ° широты Солнце будет еще ближе к горизонту, всего на 6,56 ° от него. Затем гражданские сумерки продолжаются почти всю ночь, только немного морских сумерек около местной полуночи. Выше 66,56 ° широты заката вообще нет — явление, называемое полуночным солнцем .
- Дуга дня солнцестояния, если смотреть с 70 ° широты. В местный полдень зимнее Солнце достигает кульминации при -3,44 °, а летнее Солнце — 43,44 °. Иными словами, зимой Солнце не поднимается над горизонтом, это полярная ночь . Но сумерки еще будут. В местную полночь летнее Солнце достигает своей кульминации при 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 градуса выше или ниже горизонта, соответственно, независимо от времени суток. Пока Солнце восходит (в летние месяцы), оно будет вращаться вокруг всего неба (по часовой стрелке от Северного полюса и против часовой стрелки от Южного полюса ), оставаясь под одним и тем же углом к горизонту, поэтому концепция дня или ночь бессмысленна. Угол возвышения будет постепенно меняться в течение годового цикла, при этом Солнце достигает своей наивысшей точки в период летнего солнцестояния и восходит или заходит в период равноденствия , с продолжительными периодами сумерек, продолжающимися несколько дней после осеннего равноденствия и перед весенним равноденствием.
Дуги дня солнцестояния, если смотреть с выбранных широт
Источник