太陽の道

太陽軌道は、日弧とも呼ばれ、地球が自転し、太陽の周りを回るときに太陽が空を横切ってたどるように見える、日中（日の出から日の入りまで）および季節ごとの 弧のような軌道を指します。太陽の軌道は、特定の季節に 特定の緯度に沿って経験される昼間の長さと受ける日光の量に影響します。

太陽の相対的な位置は、建物の熱取得と太陽エネルギーシステムの性能に大きな影響を及ぼします。^{[1]太陽の軌道と気候条件に関する正確な場所固有の知識は、}太陽光集熱器の面積、向き、造園、夏の日よけ、および費用対効果の高い太陽光追跡装置の使用に関する経済的な決定に不可欠です。^{[2] [3]}

太陽の軌道は、どの緯度でも、また一年中いつでも、基本的な幾何学から決定できます。^{[7] [信頼できない情報源? ]}地球の自転軸は、太陽の周りの地球の軌道面に対して約23.5度傾いています。地球が太陽の周りを回ると、夏至と冬至の間に 47 度の赤緯の差が生じ、半球によって夏と冬の差が生じます。

北半球では、冬の太陽（11月、12月、1月）は南東から昇り、南の低い角度（熱帯地方では南の地平線から43度以上）で天の子午線を通過し、南西に沈みます。太陽は一日中、家の南側（赤道側）にあります。南（赤道側）に面した垂直の窓は、太陽熱エネルギーを捕らえるのに効果的です。比較すると、南半球の冬の太陽（5月、6月、7月）は北東から昇り、北の低い角度（熱帯地方では地平線から半分以上）でピークを迎え、北西に沈みます。この場合、北向きの窓は家に十分な太陽熱エネルギーを取り込むことができます。

北半球の夏（5 月、6 月、7 月）には、太陽は北東から昇り、頭上よりわずかに南（高緯度では南の方が低い）でピークに達し、その後北西に沈みます。一方、南半球の夏（11 月、12 月、1 月）には、太陽は南東から昇り、頭上よりわずかに北（高緯度では北の方が低い）でピークに達し、その後南西に沈みます。緯度に依存する単純な赤道側の張り出しを設計するだけで、一年で最も暑い日に赤道に面した垂直の窓に入る直射日光を 100% 遮断することができます。ロールダウン式の外部シェード スクリーン、内部の半透明または不透明の窓用キルト、ドレープ、シャッター、可動式のトレリスなどを使用して、時間別、日別、季節別に太陽熱および熱伝導を制御できます（アクティブな電気空調は使用しません）。

春分（3 月 20 日/21 日および 9 月 22 日/23 日）の間、両極を除く世界中のどこでも、太陽は真東から昇り、真西に沈みます。北半球では、春分時の太陽は空の南半分（中緯度の地平線から上まで約半分）にピークを迎えますが、南半球では、太陽は空の北半分にピークを迎えます。赤道に面すると、太陽は北半球では左から右へ、南半球では右から左へ動いているように見えます。

緯度 (および半球) 固有の太陽光経路の違いは、効果的なパッシブ ソーラー ビルディングの設計に不可欠です。これらは、最適な窓と張り出しの季節設計に不可欠なデータです。ソーラー デザイナーは、設計する場所ごとに正確な太陽光経路角度を把握し、場所に基づく季節的な暖房と冷房の要件と比較する必要があります。

米国では、正確な場所固有の高度と方位の季節ごとの太陽経路の数値がNOAAから入手できます。建物の「赤道側」は北半球では南、南半球では北で、夏至の太陽高度のピークは12月 21 日です。

赤道上では、正午の太陽は真上にあるため、春分・秋分・冬分には垂直の棒は影を落としません。北回帰線（北緯約 23.4 度）では、6 月の夏至（北半球の夏）には垂直の棒は影を落としません。また、1 年の残りの期間、正午の影は北極を指します。南回帰線（南緯約 23.4 度）では、12 月の夏至（南半球の夏）には垂直の棒は影を落としません。また、1 年の残りの期間、正午の影は南極を指します。北回帰線の北では、正午の影は常に北を指し、南回帰線の南では、正午の影は常に南を指します。

極圏（北極圏の北と南極圏の南）内では、毎年、太陽が24時間地平線の下にある日が少なくとも1日（冬至）あり、太陽が24時間地平線の上にある日が少なくとも1日（夏至）あります。

中緯度では、昼の長さ、太陽高度、方位角は日によって、また季節によっても異なります。赤道から離れるほど、長い夏の日と短い冬の日の長さの差は大きくなります。^[2]

下の写真は、地球から見た次の視点を示しており、夏至と冬至の両日の太陽の1 時間ごとの位置を示しています。太陽をつなげると、2 つの日弧が形成されます。日弧は、太陽が日周運動中に天球上でたどる経路です。長い方の弧は常に夏至の経路で、短い方は冬至の経路です。2 つの弧は 46.88° (2 × 23.44°) 離れており、夏至と冬至の太陽の 赤緯の差を示しています。

さらに、薄明期には、地平線の下 18 度ほどの「幽霊」太陽も見える。この写真は、地球の北半球と南半球の両方で使用できる。理論上の観測者は、海の真ん中にある小さな島の木の近くに立つことになっている。緑の矢印は方角を表している。

• 北半球では、北は左側です。太陽は東（遠い矢印）から昇り、右方向に移動しながら南（右側）で最高点に達し、西（近い矢印）に沈みます。昇る位置と沈む位置は、真夏には北へ、真冬には南へずれます。
• 南半球では、南は左側です。太陽は東（近くの矢印）から昇り、左に移動しながら北（右側）で最高点に達し、西（遠い矢印）に沈みます。昇る位置と沈む位置は、真夏には南へ、真冬には北へずれます。

以下のケースが描かれています。

• 赤道の抽象線(緯度 0°) 上では、太陽は年間を通じて最高高度にありますが、毎日正午に地面と完全に直角になるわけではありません。実際、1 年に 2 日間、春分と秋分の日にこの角度になります。至点は太陽が天頂から最も離れる日ですが、その場合、太陽は空高く、北または南のどちらかに 66.56° の高度に達します。至点を含め、1 年のすべての日の長さは 12 時間です。
• 緯度20° から見た至点の弧。冬には太陽は高度 46.56° で最高点に達し、夏には高度 93.44° で最高点に達します。この場合、角度が 90° より大きいということは、反対の基本方向の高度 86.56° で最高点に達することを意味します。たとえば、南半球では、太陽は冬の間は北にありますが、真夏には南の天頂に達することがあります。夏の昼は冬の昼よりも長くなりますが、その差は約 2 時間半以内です。太陽の毎日の軌道は、年間を通じて地平線で急勾配であるため、朝と夕方の薄明は約 1 時間 20 分しかありません。
• 緯度 50° から見た夏至の日の弧。冬至には、正午に太陽は地平線から 16.56° 以上昇りませんが、夏至には同じ地平線の方向から 63.44° 上ります。ここから北に向かうにつれて、夏と冬の一日の長さの差が顕著になり、冬至では 8 時間強、夏至では 16 時間以上になります。日の出と日の入りの方向も同様に異なります。この緯度では、真夜中 (夏の法定時刻では午前 1 時頃) に夏の太陽は地平線から 16.56° 下にあり、これは天文薄明が一晩中続くことを意味します。この現象は灰色の夜として知られ、天文学者が深空の観測を行えるほど暗くならない夜です。緯度 60° を超えると、太陽は地平線にさらに近づき、わずか 6.56° しか離れていません。その後、民間薄明はほぼ一晩中続き、現地の真夜中頃には海上薄明が少しだけ現れます。緯度 66.56 度を超えると日没はまったくなく、白夜と呼ばれる現象が発生します。
• 緯度 70° から見た夏至の日の弧。現地の正午に、冬の太陽は -3.44° で最高点に達し、夏の太陽は 43.44° で最高点に達します。言い換えれば、冬の間は太陽は地平線より上に昇らず、極夜となります。ただし、強い薄明りは残ります。現地の真夜中に、夏の太陽は 3.44° で最高点に達します。言い換えれば、太陽は沈まず、極日となります。
• 夏至と冬至の日の弧は、両極（緯度 90°）から見た場合です。夏至と冬至の時刻には、太陽は時刻に関係なく、それぞれ地平線から 23.44° 上または下にあります。太陽が昇っている間（夏の間）、太陽は空全体を一周し（北極から時計回り、南極から反時計回り）、地平線から同じ角度に留まっているように見えるため、昼と夜の概念は無意味です。太陽の仰角は年間サイクルで徐々に変化し、夏至に太陽は最高点に達し、春分に昇ったり沈んだりします。秋分の日の後から春分の日まで、薄明の期間が数日間続きます。

選択した緯度から見た夏至の日の弧

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  緯度0度（赤道）
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  緯度20度
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  緯度50度
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  緯度70度
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  緯度90度（両極）

2021年に発表された太陽幾何学に関する論文^[8]では、まず太陽ベクトルのx、y、z成分を計算します。太陽ベクトルは、観測者の位置に尾を固定し、頭を太陽に向けた単位ベクトルです。次に、その成分を使用して太陽の天頂角と方位角を計算します。昼間と夜間の両方で1時間刻みで計算された太陽ベクトルは、太陽の軌道を効果的に視覚化するために使用できます。

次の図では、座標系の原点は観測者の位置、x 正は東、y 正は北、z 正は上向きです。北極では、y 負は本初子午線に接し、南極では、y 正は本初子午線に接し、z 正は昼間、z 負は夜間です。時間ステップは 1 時間です。

すべての図の「8」のパターンは、1 年の各日の特定の時間に対応する アナレンマです。1 年の特定の日の 24 時間すべてが、その日の太陽の軌道を表します。

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  ロッテルダム、オランダ
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  赤道、本初子午線
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  北極
• 
  南極

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