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【特輯】關於春分,除了晝夜等長外這些事你知道嗎?

source:Google Doodle

關於春分,我們大多都能直接地說出這天晝夜等長;但除此之外,你知道春分曾經因為曆法的關係而歪的很嚴重嗎?這一天除了感受日夜長度差不多,還有哪些美景可以欣賞呢?讓我們一起來看看關於春分的二三事吧!

閏年太多的儒略曆讓春分的時間跑掉了

在公元前60年,儒略曆法通行前的羅馬曆油畫。source:Wikipedia

公元 46 年,羅馬共和時期的執政官凱薩宣布廢除羅馬曆,改採用儒略曆。

羅馬曆把 1 年分為 10 個月,以 March(三月)為第一個月。在英文中,September(九月)、October(十月)、November(十一月)、December(十二月)的拉丁字源分別是 789 10;後來人們在儒略曆中加入 January(一月)和February(二月)這兩個月分,前述的四個月分才往後順延,成為現在的九月、十月、十一月和十二月。不過羅馬人仍將 March 當作每年的第一個月,February 則為最後一個月。

實行儒略曆後,凱薩的將領馬克.安東尼(Mark Antony)馬上建議將第七個月改名為凱薩的名字Julius(因為凱薩是這個月出生的);凱撒也從二月抽走 1 天,加到自己的月分中,讓七月變成 31 天。後來,奧古斯都(Augustus Caesar)認為以自己名字命名的八月 只有 30 天太少,於是又從二月抽了1 天到八月,導致現在二月只有28 天。

儒略曆比羅馬曆完善,但仍有缺點,問題在於閏年太多了。地球圍繞太陽一周耗時 365 5 小時 48 分鐘 45 秒,儒略曆考量到這點,每 4 年在二月補上 1 天,但這方法延續到十六世紀時已經補過頭了,導致當時的儒略曆與分至點(春分、夏至、秋分、冬至)已有 24 天的差距。

春分歪掉,復活節也跟著歪掉啦

而這還會有什麼問題呢?

每年差一點點,對於人們生活週期可能還沒有太大的影響,但是對於宗教節慶就有不可輕忽的改變了。由於復活節的時間,是從春分的時間推算而來的。曆法上的年,與太陽、地球真實關係的回歸年有所偏移,就代表每年春分的時間位在曆法上的日期,也不斷地偏移。春分的時間偏移,復活節的時間也就跟著偏移,這對教廷來說是件大事。

於是,在1582年,教皇格列哥里十三世宣布改曆。他做了兩件事情:第一件事,改變置閏的規則。為了讓每年春分時間一致,必須讓曆法的年逼近回歸年。原來年份只要是4的倍數就要置閏,但這樣閏太多了,使得曆法平均一年(365.25天)超過回歸年(365.2422天)太多,因此需要砍掉幾個閏年來修正這個餘額。這時採取的辦法是這樣的:以後年份如果是100的倍數但不是400的倍數,就不是閏年了。也就是說,西元1700、1800、1900年都不再是閏年,但2000年仍然是閏年。

以上的作法,將「4年1閏」變為「400年97閏」。簡單計算一下,1/4=0.25,儒略曆平均一年365.25天;97/400=0.2425,格列哥里曆平均一年365.2425天,與回歸年的誤差縮減到每年0.0003天,到三千多年左右才會誤差一天。這套格列哥里曆,就一直沿用成為現代的「公曆」了。

一年時間 置閏
努瑪曆 平年355天

閏年377或378天

外加一個月
儒略曆

(西元前46年凱撒改曆)

平年365天

閏年366天

[平均一年365.25天]

年份為4的倍數置閏
格列哥里曆

(西元1582年格列哥里改曆)

平年365天

閏年366天

[平均一年365.2425天]

原則上年份為4的倍數置閏;例外:年份為100的倍數但不為400的倍數則不置閏(1700、1800、1900不置閏,2000置閏)

格列哥里改曆,還做了第二件事情,目的是要讓春分回到3月21日,才能維繫復活節原定的時間。因此,他做了一個立即的修正,等於是大刀砍下去,把之前偏差掉的全部改了回來。還記得嗎?我們剛才估算的結果,儒略曆經過一千多年,整整多出了10天左右。這時候,教皇格列哥里十三世作法很直接,直接在1582年砍掉10天!所以,1582年10月5日到14日,這十天就因為這次改曆而消失了。

想體驗手算日出的感覺嗎?來試試日出方程式

 

如上圖所示,從外太空看地球側面,水平基準線 OH 為地球赤道,垂直線 OG 為太陽在春分或秋分照射地球時的日夜分界線,斜線 OB 為太陽其它日期照射地球的日夜分界線,日夜分界線的地方就是日出或日落的地方。

有了日出方程式,就可以計算出太陽在不同的赤緯,地球各地不同緯度的日出和日落精確時間:

ω0 是日出(當數值為負數時)或日落(當數值為正值時)時,以度為單位的時角;
ψ 是在地球上觀測者的緯度;

δ 是太陽的赤緯;

日出的定義為太陽剛從地平線出現的一剎那,而非整個太陽離開地平線,而日落是以太陽完全沒入地平線,太陽盤面大小約0.5°。還有大氣折射影響,太陽在地平面會被抬升約 0.6°。

因此,需要再加 a = -0.85°(= 0.6°+0.5°/2) 修正

想體驗手算日出的感覺嗎?不如就從春分這天開始吧!

或是找個地方靜靜地,享受春分帶來的美景

天體運動的成因有好幾個,包括地球繞著太陽做軌道運動、地球以地軸為中心自轉,還有因為地球的北極並非位於與軌道面垂直的位置。從這三點延伸得到的觀測結果,就是太陽在天空中的位置會在一年當中不斷改變。太陽每天會從地平線上不同的位置昇起落下,在天空中移動的軌跡也都不一樣。

一年之中,在春分秋分這兩天,太陽會從正東方昇起、於正西方落下;而在夏至冬至時,太陽在地平線上東昇西落的位置會分別最偏向北方和南方。

世界有許多古代遺址的岩石和建築物,是依據星辰和太陽的起落和位置所精心排列,像是青蔥蒼翠的索爾茲伯里平原 (Salisbury Plain) 上矗立的巨石陣、安納沙茲人 (Anasazi) 建於查科峽谷 (Chaco Canyon) 的卡薩林克納達神廟 (Casa Rinconada),還有懷俄明州大角山脈 (Bighorn Range) 山頂的大醫藥輪 (Great Medicine Wheel)。

圖片3

依照天文現象排列的古代遺址:(左) 巨石陣、(中) 卡薩林克納達神廟、(右) 大角山脈的醫藥輪。

有時候,現代都市的地標排列也會與時鐘般規律的天體運行呈現巧妙的呼應,或許是有意設計的,但多半都是出於偶然。看看曼哈頓島 (Island of Manhattan) 就知道了,這座島位於哈德遜河 (Hudson River) 的河口,對角線往南北方向偏斜;最早有人在此定居時,街道都是隨意開闢的,像大部分的古老城市一樣雜亂無章地發展。這些曲折小路看起來大同小異、難以辨別,讓整個城區儼然成為不斷擴大的迷宮,最後終於根據 1811 年委員會計劃 (Commissioners’ Plan of 1811) 將整座城市的發展方針制定為棋盤式的街道。

當時對於棋盤式街道的規劃,是依照和島嶼海岸平行的方向,開闢出略偏南北方向的一條條大道;因此,和這些幹道交叉的橫向街道都略為偏往東西向,與正東西方向的偏斜角度大約為 25 到 30 度,結果正巧讓所有的橫向街道幾乎正對著夏至時日出日落的方向!這個現象在大約十年前由奈爾·德葛拉司·泰森 (Neil deGrasse Tyson) 提出而廣為人知,他將這個現象稱為「曼哈頓巨石陣」(Manhattanhenge)。

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曼哈頓 (左) 和芝加哥 (右) 的棋盤式街道。街道的幾何排列方式決定了你有沒有機會看到角度剛好的日出或日落,讓你一睹城市中的巨石陣。

不過若想欣賞與天文現象排列一致的現代建築景觀,也不是非得大老遠跑到曼哈頓去,很多城鎮都市的街道都是以棋盤式排列。如果是以東西向和南北向規劃鋪設的街道系統,在每年三月和九月的春分秋分,都有機會目睹這種魔幻奇景。芝加哥市就是一例,當地的街道 (大致上) 是呈現矩形的棋盤狀排列,與羅盤方位一致,所以在三月的春分和九月的秋分時,就可以拍攝到「芝加哥巨石陣」的景象!

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芝加哥巨石陣的例子 [圖片來源:Ken Ilio’s Uncommon Photographers]。

無論你身在何處,都有機會將你居住的城市化為現代巨石陣,拍下太陽不斷變換推移的運動軌跡,就算是像加拿大安大略省 Vankleek Hill 這樣的小城鎮也不例外。這個小鎮大約位於渥太華 (Ottawa) 和蒙特婁 (Montreal) 的中間,人口只有 2000 人左右。這裡的棋盤式街道往羅盤方位偏斜,大致上平行於從安大略湖 (Lake Ontario) 流入聖羅倫斯灣 (Gulf of Saint Lawrence) 的河流。這樣的角度,就可以在夏至和冬至時正對著太陽了,像這張由 Gabriel Landriault 所拍攝的照片一樣。

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(左) 安大略省 Vankleek Hill 的棋盤式街道,與東西方向約有 20 度的偏斜。(右) 夏至時在 Vankleek Hill 街道上所見的光景 [攝影:Gabriel Landriault]。

這張 Vankleek Hill 的照片也顯示出值得注意的一點:Vankleek Hill 的街道只與正東西方向偏斜 20 度左右,而夏至時的太陽會更為偏向北方,所以此時並不是完全正對著街道的。但是在一年之中總會有一天是完全對準的

這可以從我們的地平線日曆中推敲得知,因為太陽從地平線昇起落下、不斷移動,在夏至和冬至、春分和秋分時,可以預料太陽在地平線上昇起落下的固定位置,但若經過仔細的規劃、觀測還有模擬 (可以使用 Stellarium 一類的天文館模擬器),你就會發現自己居住的城市街道在什麼時候會正對著日出和日落的方向。

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透過 Adler Planetarium 產生春分時的模擬情形,使用的是 StarryNight 桌面天文台軟體。

不妨就趁著春分的今天,趕快看準時間走出戶外,到離你最近的東西向街道上,拿出手機拍下正對著日出或日落的獨特景象吧!

 

 

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