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在一年中,每周一次或两次在同一时间、同一地点记录太阳在天空中的实际位置,就能制作出太阳的“8”字形日行轨迹图。下面这组照片便呈现了太阳在一年中运行的“8”字曲线轨迹,而在其中一张照片上,太阳盘面看上去就像项链坠。
太阳视运动轨迹图是以观测点为中心,目视太阳在天球上运行所形成的轨迹示意图。在“二分二至日”,南北极、南北极圈、南北回归线、赤道等七地区的太阳运行轨迹图如下。
由于地平线和黄道的交点是以年为周期循环变化的,因而在同一地点观测,每天太阳在天空划过的轨迹位置不一样,并且太阳每日运行轨道呈现圆弧形。冬至的时候轨迹最靠南,也最短;夏至的时候轨迹最靠北,也最长;春分和秋分的时候位于中心线上。但是太阳只是相对于地面的观测者而言高度产生了变化,其相对于背景星空的轨迹是不变的。假如每天在同一时间、同一地点拍一幅太阳照片,每周一至两次,产生30至50帧画面,然后通过数字技术将这些照片合成,就能制成“8”字形的太阳路径照片。上图中由TamasLadanyi供应的这张照片(图1)是由36张图片合成,它们全部是2023年1月至12月间在当地时间上午10点摄于匈牙利的维斯普雷姆。由于地球旋转的轴心略微不同于太阳,太阳最终在一年中形成了这样的轨迹。地球也是根据椭圆形轨道运行。由于地球的一个半球距离太阳更远,从那个半球渐渐向地平线下降的位置看,太阳每日运行轨道呈现圆弧形。随着倾斜角翻转过来,太阳的圆弧在天空中越来越高。夏至日期间,太阳位于“8”字曲线的最高点,在冬至日期间则位于最低点。
早期拍摄传统的太阳“8”字轨迹图都采纳屡次曝光同一张胶卷获得,它是在同一张照片上概括或记录全年的太阳运行轨迹,这种传统拍摄方法难度较大。首先,在相机上安一个特制滤光片。这是由于拍摄者要在白天不使用滤光片的状况下进展曝光,曝光过度或曝光缺乏都会影响照片质量,甚至破坏整张照片。其次,每周一次或两次在同一时间、同一地点记录(拍摄)太阳的位置,通常选择在上午进展。最终,对比片进展冲洗等必要的技术处理。事实说明,传统拍摄方法拍摄太阳“8”字轨迹图是可行的,但大多数人认为,传统拍摄方法要对太阳进展一年之久的曝光处理,并且准确度等技术要求特殊高,一次偶然的失误可能使全年的努力都付之东流,所以太阳“8”字轨迹图制作难度特别大,简直是疯狂之举,需要特别敬业的态度、过人的士气和长久的耐力。而最新的太阳“8”字轨迹图制作方法则不同,是将数码相机放在固定平台上,每周或每隔数天在同一时间、同一地点每次拍摄一张照片,记录太阳的位置,将其通过数字技术合成到一张照片的相应位置。
有史以来制作的第一张太阳“8”字轨迹图是在1978年至1979年拍摄完成,它由44张太阳曝光画面和一张房屋照片组成,全部是用同一张胶卷在同一地点拍摄,它记录了美国新英格兰地区上空太阳“8”字轨迹。该图被认为是世界上极少数不采纳合成方法制作的太阳“8”字轨迹图之一。鉴于所涉及的时间和准确度,太阳“8”字轨迹图制作难度特别大。据天文摄影网站“世界晚安”(TheWorldatNight,简称“TWAN”)的创始人巴巴克·塔夫雷什介绍,迄今,全世界仅有20人公布了制作胜利的太阳“8”字轨迹图。除此之外,在夏至、冬至及春分或秋分时,有摄影爱好者从日出时分开头,到上午8点30分完毕,用滤光片对太阳的运行轨迹进展长时间曝光,由此制作完成的照片显示了那三天太阳运行轨迹的局部弧线。
目前,有科学家用瑞士日内瓦大学开发的PVSYST光伏系统软件以及doubletree编写的计算程式,计算得到了与摄影师合成图片极其相像的“8”字型轨迹图。其制作思路是,先弄清观测点所在的地理经纬度,一旦确定即能知道该点在地球的精确位置,接着同样是依照摄影师的方法,选定一年中固定时间间隔的一样时间点,如上午9时、每周二次等,以角度的方式标定太阳直射点与观测点相对的方位和高度,最终将若干个计算点在一个平面上用虚拟的线连接起来。下列图就是利用PVSYST软件计算出的截图,A—E由北往南依次为:俄罗斯莫斯科(°N)、西班牙(B41°54′N)、越南河内(C21°N)、新加坡(D赤道四周)、马达加斯加岛的Tananarive(°S)、新西兰Wellington(F41°54′S)。由图可以看到,南北地区的“8”字变形趋势是:越往两极走,“8”字越直立,越接近赤道,“8”字几乎倒置。北半球“8”字是上小下大,南半球的“8”是上大下小。由于地球公转轨道是一个椭圆,太阳位于椭圆轨道的一个的焦点上,地球日公转线速度是不匀称的,远日点四周相对于近日点的地球运转速度慢许多,所以“8”字形的左右不对称。
据报道,不仅在地球上能将太阳的运行轨迹描述成“8”字轨迹图,而且在月球上也能将太阳的运行轨迹制作出“8”字轨迹图。由于月球以椭圆形轨道围绕地球运转,平均下来月球一天好像总比前一天晚51分钟重新消失在天空中的同一位置。这意味着只要每天晚51分钟拍摄月球的照片,在一个朔望月(月球绕地球公转相对于太阳的平均周期)里,就能制作出同样的“8”字形。依据轨道计算,对于站在其它星球外表的观测者来说,他们可能也会看到太阳“8”字轨迹图,但对于一些星球来说,太阳轨迹不会呈现出“8”字形。例如,在水星上,由于轴倾角与轨道路线之间的相互作用,使得太阳轨迹几乎成了一条纵贯东西的直线。与此同时,在火星上,太阳运行轨迹看上去更像泪珠。