STEM教室 ︱古人如何得知年的定義及周期？回歸年與春分點
2024-11-27
STEM教室 ︱你知道一年的開始是哪一天嗎？這好像有點多此一問，不就是1月1日嗎？慢着，為甚麼不可以是農曆的正月初一？又為甚麼不是廿四節氣的立春或其他日子呢？這些都是與天文學有密不可分的關係，當中其實大有學問。
觀象授時知「年」期？
普遍來說，一年的定義就是地球圍繞太陽運行一周的時間，約365又1/4日。但當古人仍以為地球是世界中心時，又如何得知年的定義和周期？我們都知道，太陽從日出至日落再到另一個日出來臨，就稱為「日」。而仔細觀測每天的日出或日落，就會發現太陽的位置每天都稍有不同。其實太陽並不一定在正東方升出、正西方落下，而是有時偏北、有時偏南。只要持之以恒每天記錄太陽的出沒方位，就會發現太陽的位置是有規律地循環改變，這周期就可稱為「年」。
在世界各地的巨石陣（Stonehenge）或好一些古代建築物，建築方位與太陽周年間出沒位置關係密切，部分考古學家認為是為了記錄太陽出沒位置而建造的天文測量工具。
另外，利用立竿見影的方法亦是測量太陽運動周期的途徑。只要在平地上豎立一支直竿，並在地上準確地沿竿子的南北方向畫上直綫。當每天陽光將竿影投在地上與南北綫重疊時，就記錄影子頂端的位置。
而仔細觀測每天的日出或日落，就會發現太陽的位置每天都稍有不同。
只要持之以恒每天進行記錄，就會發現影子在南北綫上的位置有規律地循環改變，而這周期亦可稱為「年」。中國古代的天象儀器「圭表」就是以此原理測量一年的長度及釐定二十四節氣的日期。
如若在日出前或日落後留意一下太陽方向的背景星空，就會發現太陽於不同季節會走到不同的星座（如下圖）。持之以恒每天記錄太陽所經過的星座，就會發現這現象亦是有規律地循環，此路徑稱為「黃道」（Ecliptic），而太陽在黃道上運行一圈的周期亦是一「年」。
此路徑稱為「黃道」（Ecliptic），而太陽在黃道上運行一圈的周期亦是一「年」。
回歸年與春分點
以上提及的幾個測定「年」的方法，都是依據太陽在黃道上運行一周的時間而定，這稱為「回歸年」，長約 365.2422日。由於地球的自轉軸傾側了23度半，令太陽時而直照南半球或北半球，這造成季節變化及不同的日照長短。而當太陽直照地球赤道之時，太陽處於黃道與天赤道的交點，這就是春分點（Vernal Equinox）和秋分點（Autumnal Equinox）。在天文學上，春分點意義重大，不但是天球座標[赤經RA, 赤緯Del] [0,0]的位置，亦是黃道的起點（黃經0度），更可以視為一個回歸年之起始。原來「一年之計在於春」是有這樣的天文學含意。
世界上有不少國家和民族都視春分為重要節日，例如在日本「春分の日」就是公眾假期，以慶祝春天的來臨；印度的重要節日「好麗節」以及伊朗的「納吾肉孜節」即波斯新年等。除了回歸年外，還有以地球近日點來定義的「近點年」、以太陽於背景恆星位置來定義的「恆星年」。原來「年」這個問題並不簡單啊！在日常生活中多觀察、細思考、常提問，就有可能發掘出更多有趣的原理來。
黃道與天赤道相交23.5度，太陽沿黃道自南向北穿越天赤道的是春分點，北向南穿越天赤道的是秋分點。
除了回歸年外，還有以地球近日點來定義的「近點年」、以太陽於背景恆星位置來定義的「恆星年」。原來「年」這個問題並不簡單啊！在日常生活中多觀察、細思考、常提問，就有可能發掘出更多有趣的原理來。
文、圖：許浩強老師 資深天文教育工作者 部分圖片：Stellarium、Vito Technology, Inc.及網上圖片
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