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重新認識「回歸年」、「恒星年」及「歲差」

2024-02-29圖片

我們經常說「年歲」,現在語境裏「年」和「歲」是一個意思,但在中國古代歷法中其實是兩個不同的時間概念。 在農歷中從上一個正月初一到下一個正月初一之間的時間間隔 ,稱為「一年」; 從上個冬至到下一個冬至之間的時間間隔 ,謂之「一歲」,等於現在天文上說的一個回歸年。古人把這個「一歲」叫做「歲實」,意思是真實的歲長。

1.

歲實是中國用的太陽年,是一個回歸年的真實長度。

回歸年是指太陽連續兩次透過春分點的時間間隔 ,即太陽中心自西向東沿黃道從春分點到春分點所經歷的時間,也可以說是從秋分點到秋分點、從夏至點到夏至點、冬至點到冬至點的時間間隔。我們知道太陽直射點南北移動,所以也稱為太陽連續兩次直射於北回歸線(或南回歸線)的時間間隔。

從這個意義上說,太陽年又稱「回歸年」、「季節年」。回歸年是以太陽為參照物,是地球繞太陽公轉一圈所需要的時間。1回歸年長度為365.242198天,即365日5時48分46秒。這是根據121個回歸年的平均值計算出來的結果,所以每個回歸年的時間長短並不相等。

2.

恒星年是以天球上固定的點 某個恒星 為參照物 地球在公轉軌域上繞太陽執行一周所需的時間 是地球公轉的真正周期 。從上帝或太陽的角度看,地球中心從天空中的某一點出發,環繞太陽一周,然後又回到了此點,就是一個恒星年;若從地球上看,太陽中心從一個恒星的位置再回到這個位置,就是一個恒星年。

在一個恒星年裏,地球公轉一圈所需的時間為365日6時9分10秒。我們可以看到,一個恒星年比一個回歸年多了約20分24秒。

於是問題就來了,二者既然都是反映地球公轉的周期,為啥不相等呢?

3.

回歸年短於恒星年的現象 在天文學上叫做「歲差」 。顧名思義,就是一歲差了一點點嘛。

所謂的「歲差」,是 指地球自轉軸長期進動 (一個自轉的物體受到外力作用導致其自轉軸繞某一中心旋轉的現象), 引起春分點沿著黃道西移 使回歸年短於恒星年的現象 。在外力作用下,地球自轉軸在空間並不保持固定的方向,而是不斷發生變化。簡單來說,歲差是地球公轉和地軸運動相結合的結果。

假設春分時,太陽直射點由赤道開始,向北移動,夏至時到達北回歸線,然後南移,秋分時回到赤道。繼續向南移動,冬至時到達南回歸線,最後又往北移動到達赤道回到春分點。這樣太陽就完成了直射點的回歸運動,歷時約一年的時間。

在這一年的旅程裏,地球圍繞太陽轉一圈,地軸也沒閑著,它在北天極和南天極上空轉了個小圈,使得太陽直射點提前到達赤道,即提前回到了春分點。實際上,這時地球繞太陽公轉還沒有完成一圈,它還沒回到原點呢,所以恒星年要比回歸年長一點。

牛頓 在1687年發現了萬有重力定律,同年首次對歲差現象進行了理論上的解釋:地球在繞太陽公轉的同時也在自轉,受到太陽和月球不平衡重力的共同影響,在萬有重力作用下地球自轉軸產生擺動,即地軸繞著 黃軸 (透過黃道面圓心並於黃道面垂直的直線)旋轉,在空間上形成一個半徑為23.5°(黃赤交角)的圓錐面,從而使春分點和秋分點沿著黃道向西移動,每年大概移動50.26″,大概71年(71年8個月)移動1°,大約25786(360°ⅹ3600÷50.26″)年就會西移一圈(360°)。當然不是真的會回到原來的位置,因為太陽系每2.25億年又會繞銀河系轉一圈,所有的恒星都要跟著轉動,只是因為距離太過遙遠,上億年的尺度變化太小,我們感覺不到,反而是地軸的進動看到的變化更明顯。

所以呢,大家要明白二十四節氣雖然是黃道上固定的二十四個時間點,實際上每年都有緩慢和微小變化的。

學過物理的小夥伴應該明白,剛體自轉如果角速度不夠大,自轉軸繞進動軸旋轉時,自轉軸在方向的改變中會出現如「點頭」般的搖晃現象,我們稱之為 章動 。也就是說,地球自轉軸繞黃軸旋轉時,除了自轉和進動外,還會產生章動,即地軸在鉛錘面內上下微小擺動。

因此,造成歲差的原因其實是地球自轉軸進動和章動共同作用的結果。

4.

歷史上最早發現歲差現象的是公元前2世紀古希臘天文學家 喜帕恰斯 ,他推算出春分點每100年西移1°。

中國古代則以觀測 冬至點 的移動來推算歲差。

東晉的 虞喜 透過實地觀測和對比前人觀測結果,首先發現歲差現象,並得出結論冬至點每50年西移1°。

最先把歲差套用到歷法的,是南北朝時著名的天文學家、數學家 祖沖之 ,他把歲差參照到【大明歷】中,歷法中才真正消除了歲差的影響。

5.

到這裏,小夥伴會問全球各地的晝夜長短和正午太陽高度的季節變化、陽歷和陰歷的歷年安排、二十四節氣的劃分,為啥都以回歸年為周期呢?

原因很簡單。

其一,你是看太陽計時的,而不是看某個恒星來計時的嘛。因為回歸年對人類活動太重要了,而且回歸年是人類對「年」最初的認識。

人類對時間的認識起源於對自然天象的觀察。比如太陽東升起落、晝夜交替、四季輪回等。 這些與時間相關的自然現象我們稱之為自然時鐘 。回歸年正是以自然時鐘為尺度的年,中國古代透過圭表測日影的辦法來測定冬至,並把冬至定為一年之始,這一天晝短夜長。西方古文明則是把春分作為一年之始,那一天晝夜相等。以自然時鐘為尺度的回歸年與農業生產活動息息相關,比如我們的二十四節氣。

其二,由於歲差的影響,一個恒星年比一個回歸年多了20分24秒,如果以恒星年為周期,一千年左右,春分點或冬至點向西移動了14°,時間再拉長一點,四季就紊亂了。