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午夜和正午太阳高度的判读
河南省上蔡县第一高级中学郭鹏飞463800
近年来，在高考和各种刊物中经常出现午夜太阳高度和正午太阳高度的计算问题，如合理楼距的计算、太阳热水器的安装、室内光线的照射、影子长度的计算等等。正午太阳高度角计算公式H=900-|φ+δ|已为大家所熟知，但是许多学生却对此公式应用的灵活性掌握不好，导致错误较多，究其原因，是缺少自己亲自动手进行推导所致。以下步骤可以引导大家进行简单的推理：
假设P点是北半球北纬φ度纬线上的一点，则当太阳直射点在北半球北纬δ度（0<δ≤23026’）纬线上时（如图1）解直角三角形很容易得出H=900-|φ-δ|；

而当太阳直射点在南半球南纬δ度（0<δ≤23026’）纬线上时（如图2）解直角三角形很容易得出H=900-|φ＋δ|
当太阳直射点在赤道时（如图3）解直角三角形很容易得出H=900-φ
因此，正午太阳高度角计算常被老师总结为：H=900-|纬差|

①已知点与太阳直射点在赤道同侧时（即该点夏半年），纬差为已知点与直射点之差的绝对值：H=900-|φ-δ|
②已知点与太阳直射点在赤道两侧时（即该点冬半年），纬差为已知点与直射点之和的绝对值：H=900-|φ+δ|
③当太阳直射点在赤道上时（即春秋分日时），纬差为已知点的纬度：H=900-φ
通过上面的分析，应该有所理解。下来我们来回归主题：午夜太阳高度，即0点太阳高度了；正午太阳高度，即12点太阳高度，只有在极昼圈及其以内才会有午夜太阳高度。那么午夜太阳高度、正午太阳高度以及太阳直射点的纬度之间有什么样的关系呢？
首先，我们必须了解太阳高度这个概念，对于大多数学生而言，感觉很简单，其实只是死记硬背了一些知识，而并不懂相关的原理。太阳高度角是太阳光线与地平面的夹角，在日期一定的情况下，太阳直射点是固定的，所以太阳光方向不变（如上图所示），但是随着纬度的变化，不同纬度地平面并不相同，所以引起高度角的变化，这也就是课本上总结出的正午太阳高度随纬度的变化规律，从直射点向南北两侧递减。
那么是不是存在午夜太阳高度公式呢？答案是肯定的。经过一番思考之后，我认为如果将正午太阳高度看成是一地地方时12点时（上中天）的太阳高度，那么当一个地点在出现极昼的时间内，该地地方时零点时（下中天）太阳高度就为午夜太阳高度（如图）。
计算公式推导如下：

假设北半球一点P在北纬φ度（66034′≤φ≤900）,太阳直射点在北纬δ度（00≤δ≤23°26′），此时P点出现极昼现象（如图5）

在上图中太阳光线是平行照射地球的，MR为P点的地平圈，PK为P点所在纬线的延长线，MO为赤道的延长线，N、S为两极点；H0为P点午夜太阳高度角，即∠LPR。
在上图中由于太阳光线平行，PK与赤道面平行，所以∠LPK=δ，∠RPK=∠RMO，又因为在RT△OPM中∠RMO=900-φ，所以，H0＝∠LPR＝δ-（900-φ）,即H0＝δ+φ-900。
对于该公式用地理术语来表达为：极昼地点午夜太阳高度为该点地理纬度与直射点纬度之和与90度的差。
验证：
①当H0=00时（太阳视运动轨迹与地平圈相切），δ+φ=900即极昼地区最低纬线圈度数与太阳直射点纬度数互余。
②当φ=900时，H0＝δ即在极点上看，太阳周日视运动圈与地平圈总是平行的，一天中太阳高度没有变化，总是等于太阳直射点的纬度，只是随时间变化在天空中的位置不同。
而以上两点是我们早通过其他途径证明了的正确结论。
推论：
对于出现极昼的地点来说，正午太阳高度公式直接可以写成H=900-φ+δ，那么与午夜太阳高度公式H0＝δ+φ-900联立即可得出以下推论：
①H＋H0＝2δ即极昼地区某地一天中正午太阳高度与子夜太阳高度之和总是等于当日直射点纬度的2倍，还等于极点上太阳高度的2倍。假如H0=00时，则有H＝2δ,即极昼地区最低的纬线圈的正午太阳高度等于太阳直射点纬度的2倍。
②H-H0＝1800-2φ即太阳视运动周日圈最高点与最低点之间的差别，或者说一天中太阳高度的变化幅度主要与纬度、日期有关。就地区而言，总的规律是由极昼地区最低的纬度向极点方向递减。
经过这样的推导，诸如以下题目的解决就易如反掌了：
如下图所示：

从图中可以看出，70ºN刚好出现极昼，则太阳直射点纬度应为20ºN，70ºN与晨昏线的切点为A点，A所在经线应是夜半球中央经线，地方时应为0时，与之相对应的D所在经线应是昼半球中央经线，地方时应为12时，此时A点的太阳高度角为0º（午夜太阳高度角），D点的太阳高度角为40º（正午太阳高度角）。80ºN上B、C两点午夜太阳高度角为10º和正午太阳度角为30º，怎么利用70ºN的太阳高度角求知极昼其他纬度的（午夜和正午）高度角呢？

地球是个球面，每个纬度的