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        太陽光照射物體的角度

        2019-11-20 02:54:11郭紅鋒
        軍事文摘·科學少年 2019年10期
        關(guān)鍵詞:西窗射入通量

        郭紅鋒

        居住在中緯度地區(qū)的人們都知道,房子的朝向太重要了,例如在北京及周邊地區(qū),朝南的房間要比朝北的房間價格高。原因就是南向的房間冬暖夏涼,而東、西向的房間卻冬涼夏熱,這是為什么呢?

        我們以前給同學們講解過,太陽在中緯度地區(qū)的視運動軌跡是東-南-西傾斜的半圓型軌跡。以北京地區(qū)(北緯40°)為例,春、夏、秋、冬各季節(jié)太陽軌跡變化見圖1。

        從圖1中,我們分析北半球中緯度地區(qū)(例如北京)太陽運動軌跡的規(guī)律如下:

        1. 夏季太陽運行軌跡大半圈在地面以上,小半圈在地面以下,冬季相反。

        2. 太陽相對于地平面的照射,夏季近于直射且照射時間長,冬季偏于斜射且照射時間短,所以室外的溫度是夏熱冬冷。

        ◎夏季日出很早(約早4點)且在東北升起,日落很晚(約晚8點)且在西北落下,中午太陽在南邊較高的位置,例如北京地區(qū)地理緯度約40°,夏至時正午太陽高度達到最高點:90°-40°+23°.5=73°.5。

        ◎冬季日出很晚(約早8點)且在東南升起,日落很早(約晚4點)且在西南落下,中午太陽在南邊較低的位置,例如北京地區(qū)地理緯度約4 0 °,冬至時正午太陽高度達到最低點:90°-40°-23°.5=26°.5。

        不過對于垂直于地面的物體(例如窗戶、墻壁、船幫、人體等),就要具體分析了。例如一面垂直地面的窗戶,所射入的陽光,就需要看其朝向啦!

        1. 先看看夏季的情況:

        ◎夏季日照到東窗從早4點到中午12點(約8小時),陽光入射的方向來自側(cè)面(東北方向),到正面(正東方向),再到側(cè)面(東南方向),大部分時間太陽在比較低的位置。因此,陽光與窗面垂直度較大,從東窗射入的陽光通量較大,如果是密閉的房間溫度會比較高。

        ◎夏季日照到南窗從上午8點左右到下午4點左右(約8小時),陽光入射的方向來自側(cè)面(東南方向),到正面(正南方向),再到側(cè)面(西南方向),大部分時間太陽在較高的位置。因此,陽光與窗面垂直度較小,所以從南窗射入的光通量相對較少,如果是密閉的房間溫度會比較低。

        ◎夏季日照到西窗(與東窗對稱、類似)從中午1 2點到晚上8點左右(約8小時),陽光入射的方向來自側(cè)面(西南方向),到正面(正西方向),再到側(cè)面(西北方向),大部分時間太陽在比較低的位置。因此,陽光與窗面垂直度較大,從西窗射入的陽光與東窗相仿,也是通量較大,如果是密閉的房間溫度會比較高。

        分析結(jié)果,東、南、西三面窗,在夏季所受日照時間基本一樣長,入射的方向也差不多都是側(cè)面-正面-側(cè)面。但東、西窗進入的太陽光相對窗戶比較垂直(因為太陽在較低處運行),進入房間的陽光通量較大(參考圖2),而南窗進入的太陽光相對窗戶比較平行(因為太陽在較高處運行),進入房間的陽光通量較?。▍⒖紙D2)。

        所以北半球中緯度地區(qū),夏季東、西向房間的太陽輻射強度大于南向。

        2. 再看看冬季的情況:

        ◎冬季日照到東窗從早8點到中午12點(約4小時),陽光入射的方向來自側(cè)面(東南方向),大部分時間太陽在比較低的位置,但因為都是側(cè)面入射,與窗戶不垂直,所以從東窗射入的陽光通量較小。如果是密閉的房間溫度會比較低。

        ◎冬季日照到南窗從上午8點左右到下午4點左右(約8小時),陽光入射的方向來自側(cè)面(東南方向),到正面(正南方向),再到側(cè)面(西南方向),大部分時間太陽都在較低的位置。因此,陽光與窗面垂直度較大,從南窗射入的光通量相對較多,如果是密閉的房間溫度會比較高。

        ◎冬季日照到西窗(與東窗類似)從中午12點到晚上4點左右(約4小時),但因為都是側(cè)面入射,與窗戶不垂直,所以從西窗射入的陽光通量較小,如果是密閉的房間溫度會比較低。

        通過以上分析,說明東、南、西三面窗,在冬季所受日照時間不一樣長,入射的方向也不相同。東、西窗射入的太陽光相對窗戶比較平行(因為太陽從側(cè)面斜射進入),因此進入房間的陽光通量較?。▍⒖紙D3),而南窗射入的太陽光相對窗戶比較垂直(因為太陽在較低處運行,而且大半時間是正面直射),進入房間的陽光通量較大(見圖3)。

        所以,在北半球中緯度地區(qū),冬季東、西向房間的太陽輻射強度小于南向。

        通過以上分析,我們就知道了為什么南向的房間會冬暖夏涼,而東、西向的房間相比南向的房間則冬冷夏熱。

        現(xiàn)在有很多同學去過南北極考察,在極地生活也會遇到同樣的問題。比如在極地的夏季,太陽一直在距地面20多度的高度上水平旋轉(zhuǎn)(在極點夏至時太陽最高距地面23.5°)。太陽對于地面的照射雖然全天都有,屬于斜射,所以地面環(huán)境溫度并不算高。對于垂直于地面的物體,例如墻壁、窗戶、人體而言,就是近乎直射,所以會在局部產(chǎn)生很高的熱量,甚至灼傷。

        例如夏季在極地的野外,人們雖然身穿羽絨服,依然感覺很冷,陽光曬到臉上或裸露的皮膚上基本沒有烤和熱的感覺,但卻能在很短的時間里發(fā)紅、變黑、有灼傷感。居住在極地地區(qū)的漁民也有常識,他們自制的木質(zhì)漁船是用膠粘合的,船幫接縫處的膠在夏季經(jīng)常會被烤化。他們的木屋墻壁涂的油漆在夏季也經(jīng)常被烤化。所以,我們?nèi)绻跇O地居住,搭建一所密閉、圓柱形、垂直面透光的玻璃房,應該是比較合理的選擇。

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