太阳高度角随纬度变化（太阳高度角形成受热面积差异）

四季的变换并非是由于日地距离发生了什么改变，而只是由于某地太阳高度角的变化，即正午太阳光线对于地平面的交角的变化（太阳在当地的仰角）。一年当中，太阳的直射点在南北回归线之间游弋，于是地表便答案赤日炎炎的暑热功能万物萧条的寒冬间交替。以北京为例（北纬39°54N'），这个角度在冬至为26°40'，春秋为为50°6'，夏至为73°32'。冬夏相差约47°。

正是这个47°才导致了地表单位面积上所接受的太阳辐射强度大为改变，这就是造成冬夏的主要原因。（北京在北回归线以北，太阳光线在此地区永远没有垂直90°的阳光直线。）

太阳高度角和方位角会随着季节和时辰而变化。

夏季，正午太阳高度角高，太阳方位角扫过的角度也大，在早晨和傍晚，阳光会照在北立面上。

冬季，正午太阳高度角低，太阳方位角扫过的角度也小，太阳不到正西方就已经落到地平线以下了。

夏季与冬季，我们对阳光有着截然相反的要求。所以建筑朝向、布局、遮阳、采光策略需要能够适应太阳角度的季节变化，满足居住者在冬夏的不同需求。（朝南开窗是建筑设计的基本原则之一。）

上图反映了北纬40度不同朝向窗户的太阳辐射得热情况。

太阳光线到达地球时为平行光线，假设单位面积内光束所携带的能量为E，当太阳光线直射地面时，单位面积地面接收到的能量也为E，如下图（左）所示：

上图（左）正方形A1B1C1D1为光束面积，A2B2C2D2为光线到达地面后的光照面积。

当太阳直射时，太阳高度角为90°，光束面积和光照面积相等。

设A1B1=B1C1=a，则面积为a²，因此单位面积内所受太阳辐射能量为E/a²。

如上图（右）所示，当太阳光线不是垂直照射时，光束面积A1B1C1D1与照射面积A2B2C2D2不再相等。

如上图（右）所示，B2E垂直于A1A2，E为垂足。则角EA2B2为太阳高度角β。

sinβ=EB2/A2B2;

A2B2=EB2/sinβ;

又因为A1B1=EB2=a;

所以A2B2＝a/sinβ;

正方形A1B1C1D1面积为a²，平行四边形A2B2C2D2面积为a²/sinβ

当太阳直射点与地面夹角为β时，地面A2B2C2D2单位面积内接收到的能量为(E*sinβ)/a²

所以

直射点单位面积能量/太阳高度角为β单位面积能量=1/sinβ（sin90°=1）

太阳高度角范围为0°<=β<=90°，在此范围内sin函数为单调递增函数，因此太阳高度角越大，单位面积内接收到能量越多。

由此可见，

地表温度与太阳高度角密切相关。如清晨与黄昏，太阳斜射地面，所以升温较慢。在北极地区的夏至日前后，出现极昼，虽然日照时间长，但太阳高度角小，所以气温仍然很低。当然地面实际接收到的太阳辐射量，不仅与太阳高度角相关，也地形、地势、地表物质组成、大气层厚度、云层稀薄都有关系。

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