畫家為什麼偏愛朝北窗的畫室？
― 白天的太陽，一年到頭只走「南邊的天空」
蓋房子時，採光好的朝南房間很受歡迎。但畫家的工作室，自古以來卻偏愛朝北的窗。原因是從北窗照進來的不是太陽光，而是「天空的光」。這種光從早到傍晚，樣子幾乎不會改變。
你坐在朝南的窗邊，正在畫桌上的水果。上午開始畫時，蘋果的影子清楚地向左伸長。
過了中午，影子變短，方向也變了。到了傍晚，光線偏黃，連蘋果的紅色看起來都不一樣。每當雲飄過，房間的亮度也跟著忽明忽暗。
這樣一來，畫到一半的畫和眼前的水果，就會越差越遠。畫家選擇北窗，就是為了避開這個煩惱。
理由只有兩個
在日本這樣的北半球中緯度地區，正午的太陽總是在南邊的天空。朝北的窗戶，整個白天都沒有直射陽光照進來。
照進來的是從整片天空散射而來的光。影子輕柔，亮度和顏色也不太會隨時間改變。
也就是說，北窗把「到處移動的太陽」擋在門外，只讓「寬廣而穩定的天空」進到房間。我們一個一個來看。
太陽走的是哪條路？
太陽從東邊升起、西邊落下。但仔細看就會發現，它並不是從正東到正西筆直地經過頭頂。在日本，正午的太陽走的是偏向南邊天空的斜路。
圖 1 是從正上方俯瞰天空的地圖。中央是你的頭頂，外圍是地平線。冬天的太陽，只在南邊低空畫出一小段弧線。春分和秋分時，太陽幾乎從正東升起、從正西落下。它一次也不會進入北邊的天空。
夏天的情況稍有不同。日出和日落的位置往北偏，所以只有清晨和傍晚會經過北邊的天空。夏至前後，早晚加起來大約 7 小時。不過那是指早上 8 點半左右以前，和下午 3 點半左右以後。在白天的工作時間裡，一年中任何一天，北窗都不會照進直射陽光。
天空光為什麼好畫？
從北窗照進來的，是天空的藍光和雲的白光。這是太陽光被空氣粒子和雲層散射後，從整片天空傳來的光。光的來源鋪滿整個窗口，所以影子的邊緣會變得模糊。
太陽在天空中只是一個很小的光點，所以直射陽光的影子邊緣很清楚。而且隨著太陽移動，影子的方向每小時會轉 15 度。如果是充滿整個窗口的天空光，影子形狀柔和，幾乎不會動。
顏色也很穩定。直射陽光在早晚帶黃色或橙色，到了中午則變白。雲一遮住太陽，房間就會一下子變暗。北邊的天空位於遠離太陽的一側，一般認為亮度和顏色的變化比較小。對想要準確辨色的人來說，這是很大的優點。
在鋸齒狀「鋸齒屋頂」的工廠裡，垂直的窗面常常蓋成朝北。一般認為，這是因為要分辨織品的色差，需要整天都穩定的光線。據說鑑定寶石和布料顏色的工匠，也一向偏好北窗的光。
在澳洲或南美洲南部，正午的太陽走的是北邊的天空。因此畫家選的是朝南的窗。重點不在方位本身，而是要朝向「太陽不會來的那一側天空」。
總結
白天的太陽，一年到頭都走南邊的天空。所以北窗照不進直射陽光，只有來自整片天空的柔和光線。這種光的影子模糊，亮度和顏色也不容易隨時間改變，很適合需要花好幾個小時描摹顏色和形狀的工作。
北窗，是把太陽擋在外面、只迎進天空的窗。
畫家想要的不是明亮，而是不變的光。
天空的光為什麼是藍的，請看〈天空為什麼是藍的，晚霞卻是紅的？〉；方位的差異甚至會表現在山上的樹木，請看〈朝北的山坡和朝南的山坡，樹木為什麼不一樣？〉。
- 晴天的中午，在家裡朝南的窗邊和朝北的窗邊，各放一張同樣的白紙。
- 在紙上立一枝鉛筆，比較影子。朝南的窗邊應該是邊緣清楚的影子，朝北的窗邊則是模糊的影子。
- 隔大約 2 小時再看一次。用手機拍照比較，看看哪一邊的影子方向和長度變化比較大。
夏天的清晨或傍晚，北窗也可能照進陽光。比較時請選在正午前後的時段。請不要從窗戶直接看太陽。
想知道更多的人 ― 術語、算式與課本的連結從國中自然到大學專業課程，清楚標示每個內容屬於哪個程度
- 國中國中自然課會學到的範圍
- 高中高中「地球科學」「物理」會學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或課本專欄的內容
- 大學高中不會學到、大學專業課程（位置天文學、照明工程、色彩科學）的內容
- 研究連大學也不會當成「定論」來教、目前研究者還在探究的內容
國中術語：這個現象有名字
- 正午太陽高度：太陽到達正南方（中天）時，離地平線的高度角。夏天高、冬天低。
- 天空光：太陽光被空氣和雲散射後，從整片天空傳來的光。照進北窗的就是這種光。
- 本影與半影：光線被完全擋住的深色影子，與只被部分擋住、邊緣模糊的部分。光源越大，半影越寬。
國中高中用算式確認：夏至的早晨，太陽從偏北多少的方向升起
北窗有直射陽光照進來，只限於太陽位在連接正東與正西的那條線以北的時候。因此我們來計算最偏北升起的夏至日出方位，以及正午的太陽高度。
| 用符號寫 | cos A ＝ sin δ ÷ cos φ （正午高度為 h ＝ 90° − φ ＋ δ） |
| 用文字寫 | 日出方位的餘弦 ＝ 太陽赤緯的正弦 ÷ 緯度的餘弦 |
| 這個式子從哪裡來 | 在天球上，將球面三角學的餘弦定理，套用在由天球北極、頭頂點、地平線上的太陽這三點構成的球面三角形。這是太陽高度為 0 的瞬間所成立的關係 |
| A | 日出方位（從北向東量起的角度，單位為度） |
| δ | 太陽赤緯（由季節決定的太陽傾角。夏至為＋23.4°，冬至為−23.4°） |
| φ | 觀測地的緯度（度） |
| h | 正午（中天時）的太陽高度（度） |
| 東京的緯度 φ | 約 35.7° |
| 夏至的太陽赤緯 δ | 約 23.4° |
| 23.4° 的正弦 | 約 0.397 |
| 35.7° 的餘弦 | 約 0.812 |
| 太陽的視大小 | 約 0.0093 弧度（約 0.5°） |
| 日出方位的餘弦 | 0.397 ÷ 0.812 ≒ 0.489 |
| 餘弦為 0.489 的角度 | 約 60.7°（從北量起的方位） |
| 與正東（90°）的偏差 | 90 − 60.7 ＝ 29.3 |
| 春分、秋分的正午高度 | 90 − 35.7 ＝ 54.3 |
| 夏至的正午高度 | 54.3 ＋ 23.4 ＝ 77.7 |
| 冬至的正午高度 | 54.3 − 23.4 ＝ 30.9 |
| 直射陽光的影子模糊寬度（在離物體 1000 mm 的地面） | 1000 × 0.0093 ＝ 9.3 |
| 若是視寬 0.5 弧度的窗口天空光 | 1000 × 0.5 ＝ 500 |
夏至的太陽，從比正東再往北偏約 29° 的方向升起。所以只有夏天的早晚，北窗也會有陽光照進來。即使如此，正午時它位在南邊天空約 78° 的高度，從北窗是看不到的。影子邊緣的模糊程度，太陽約 9 mm，充滿窗口的天空約 50 cm，相差 50 倍以上。圖 1 的數值，也是用同一個式子算出來的。
高中高中＋太陽路徑隨季節改變的原因，與天空光的顏色
高中地球的自轉軸相對於公轉面傾斜約 23.4°。因此太陽赤緯在一年內會從＋23.4° 變到−23.4°，日出方位和正午太陽高度也隨季節改變。在北半球中緯度，只有赤緯為正的春分到秋分之間，太陽才會從偏北的方向升起、往偏北的方向落下。
高中＋晴天的天空光是藍的，是因為波長越短的光，被空氣分子散射得越強，這稱為瑞利散射。因此北窗的光比直射陽光更偏藍。在照明領域，光的色調用「色溫」這個數值來表示，藍色越強，色溫越高。一般認為，畫家習慣了這帶點藍的光，並且更看重顏色不易改變這一點。
大學太陽位置的計算，與光的品質評估
要求出精確的太陽位置，是在位置天文學的太陽高度角、方位角公式上，再加入時差方程式和大氣折射（靠近地平線時光線彎曲的效應）。本文的計算忽略了大氣折射，所以實際的日出會稍微早一點，方位也會稍微更偏北。在照明工程中，從窗口進來的光量用日光係數來評估，天空亮度的分布則用「天空亮度分布」的模型來處理。顏色的再現性則用演色評價數來表示。
📖 算式的推導與更進階的內容：太陽高度（維基百科日文版） ／ 色溫（維基百科日文版）
研究目前還不太清楚的事
- 大腦究竟在多大程度上修正了光的顏色差異？ 即使照明的顏色改變，物體的顏色看起來仍然相同，這種「顏色恆常性」的機制還沒有完全解開。北窗的光之所以讓人覺得好畫，這個作用也可能有關。
- 畫家究竟有多堅持北窗？ 偏愛北窗的習慣是何時、在哪裡普及的，在美術史中依資料不同而說法不一。印象派的畫家反而為了描繪變化不定的光本身，走到了戶外。
- 室內的自然光對人的身心有什麼影響？ 窗戶的光對工作效率和心情有什麼影響，建築和醫學領域仍持續研究。
也就是說，這篇文章的內容也只是「目前已知範圍內的說明」。太陽的路徑可以精確算出來，但人如何感受那道光，仍有許多謎團。
與課本的連結（依程度）
| 程度 | 科目、單元 | 本文的哪裡 |
|---|---|---|
| 國中 | 自然・太陽的周日運動與季節變化 | 圖 1、正午太陽高度的計算 |
| 高中 | 地球科學基礎・地球的自轉與公轉 | 赤緯與日出方位 |
| 高中＋ | 物理・光的散射 | 天空光是藍的、色溫 |
| 大學 | 位置天文學・照明工程 | 太陽位置的修正、日光係數 |
| 研究 | 色覺研究・建築環境學 | 顏色恆常性、自然光與身心 |
| ― | 與生活的連結 | 挑房間、攝影、手邊工作的照明 |
- 日本國立天文台（国立天文台）編，《理科年表》（理科年表），丸善出版（丸善出版）（太陽赤緯與日出日落方位）
- 日本色彩學會（日本色彩学会）編，《新編 色彩科學手冊》（新編 色彩科学ハンドブック），東京大學出版會（東京大学出版会）
- 維基百科日文版「太陽高度」
- 維基百科日文版「色温度」
- 維基百科日文版「レイリー散乱」
※本文是寫給一般讀者的科學解說。文中的數值是用來理解原理的參考值、概算值。太陽的位置是以東京附近為例的計算，並未考慮大氣造成的折射。請不要直接看太陽。