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第一座水力天文鐘——北宋的水運儀象台│《電腦簡史》 齒輪時代(八)

張瑞棋_96
・2020/04/13 ・2163字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 528 ・七年級

水力機械鐘與安堤基瑟拉儀早在紀元前就出現了,但奇怪的是,西方在之後千年的時間裡,竟然一直沒有結合這兩種齒輪技術,發明自動隨著天體運轉的水力天文鐘。結果最早的水力天文鐘,既不是出現在拜占庭帝國,也不是在阿拉伯帝國,而是萬里之外的中國!

本文為系列文章,上一篇請見:什麼?阿拉伯帝國學風開放,還搞出第一台可編程機器?│《電腦簡史》 齒輪時代(七)

只要轉動安提基瑟拉儀與拜占庭日晷儀,就可以計算過去到未來,任何一天的天體位置。但是只要沒人轉動,它們就不會動作,所以沒辦法呈現當下的天象,不像時鐘隨時告訴你目前時刻。

既然西元前三世紀,克特西比烏斯已經發明出機械水鐘,那麼以此為基礎,再多加一些齒輪與指針進去,讓它們與天體運行同步,不就是一台會自己運轉的天文鐘?看一眼就能知道目前的天體位置。

說也奇怪,雖然自動機器與計算天體位置,這兩種齒輪技術早就有了,但是「水力天文鐘」卻隔很久之後才出現。不知道是因為兩種技術沒有交匯在一起,或者早期確有發明,只是毀損失傳了。總之根據史料,水力天文鐘最早的記載竟然不是在古希臘,也不在拜占庭帝國或阿拉伯世界,而是在中國。

渾天儀、水運渾天、渾儀——中國早就有水力天文鐘?

《後漢書》中提到東漢的太史令張衡,於西元 126 年發明了渾天儀。許多人相信這就是最早的水力天文鐘,但其實除了渾天儀這名詞,完全沒有解釋其功能與構造,甚至也沒說由水力推動。是因為後來的《晉書.天文志》中,進一步描述渾天儀用空心銅球代表圓天,上面蝕刻各個星宿,以演示星象的運行;而原文中有「以漏水轉之」這幾個字,才引發後人設想渾天儀是以水力推動。

《後漢書》提及張衡發明渾天儀,但並未詳確記載渾天儀的功能與構造。圖\wikipedia

無論渾天儀是否真的靠水力轉動,它就這麼曇花一現。直到六百年後,唐朝的一行和尚(俗名張遂)與梁令瓚,才於 723 年又打造出名為「水運渾天」的水力天文鐘。《舊唐書.天文志》對它有這樣的描述:「注水激輪,令其自轉,一日一夜,天轉一周。又別置二輪絡在天外,綴以日月,令得運行。」表示除了星象,日月各自也有獨立的齒輪帶動運轉。更特別的是,後面還提到有兩個報時的木人,「每一刻自然擊鼓,每辰則自然撞鐘」。如果書中所言屬實,水運渾天既能模擬日月星辰的運行,又能夠時時刻刻主動報時,那的確稱得上水力天文鐘無誤。只可惜《舊唐書.天文志》沒有進一步描述它的內部構造,無從驗證這部水力天文鐘是否真的可以正常運轉。

北宋時,來自四川的張思訓於 979 年也設計了「渾儀」。據《宋史‧天文志》所載,張思訓特地改用水銀取代水,如此便不怕冬天水結冰,使得天文鐘無法運轉。此外,他還設計了更花俏的報時方式:除了有七個木偶在每一刻鐘會分別搖鈴、扣鐘、擊鼓,還有十二個木人輪流在不同時辰跑出來舉牌報時。但同樣地,書中仍然沒有解說其構造。

張衡的渾天儀、一行和尚的水運渾天、張思訓的渾儀,都僅見於文獻之中,卻又缺乏實際構造的描述,因此難以斷定其真偽。目前公認中國最早的水力天文鐘,是北宋時期的福建閩南人蘇頌,所發明的「水運儀象台」。

中國水力天文鐘公認始祖——水運儀象台

蘇頌出生於 1020 年,二十三歲與王安石同榜中了進士後,先到江蘇當縣令,三十四歲時調任到專門收藏典籍的集賢院。他在集賢院九年期間,研讀各種領域的書籍,學識因而大幅擴展,從藥學、算學、工程到天文地理,無所不通。 1086 年蘇頌轉任吏部尚書,在檢驗各項天文儀器後,決定建造一部功能完整、自動運行的天文鐘。他與下屬韓公廉一起著手設計,最後歷時六年終於成功打造出水運儀象台。

雖然水運儀象台已不復存,但所幸蘇頌留下一本親手寫的《新儀象法要》,裡面詳盡記載內部構造與零件尺寸,而且還附有圖示。經按圖索驥,復原重建水運儀象台後,確實可以正常運作(台中的自然科學博物館便有個一比一的模型)。

展示於北京古觀像館的蘇頌水力儀象台複製品結合了水力鐘,渾儀和天球的功能。。圖\wikipedia

水運儀象台高達十二公尺,共有三層。觀測用的「渾儀」置放於最上層,有許多環圈層層相套,包括地平圈、赤道圈、黃道圈、……等等,配合可以活動的「窺管」來觀測特定天體的位置。中間那一層是「渾象」,主體是一顆由齒輪帶動的圓球,上面繪製了各個星座,轉完一圈剛好一天,配合繞著圓球的經緯圈,演示天象的實際變化。最下層則是報時裝置,分為五小層,每層各有數目不一的小木人,會定時現身舉著牌子顯示目前的時刻,若在晚上還會敲更。

水運儀象台的動力機制與克特西比烏斯的機械水鐘非常類似,也是利用虹吸原理,讓固定的水量傾瀉而下推動水車,水車再帶動齒輪前進一格,推動渾象的圓球緩緩轉動,同時轉動報時裝置。所以只要定期加水,就能不斷運轉,如實模擬天象。

很難想像蘇頌可以憑空發明如此複雜的齒輪裝置。也許蘇頌在集賢院時,從藏書中發現渾天儀、水運渾天、渾儀等裝置的圖解;甚至張思訓的渾儀過了一百年可能還完好無缺,蘇頌便可直接研究(水運儀象台的木人報時方式,與渾儀也太相似了)。若是如此,中國的水力天文鐘,似乎是自漢、唐、宋一路傳承下來,完全是中國自己的發明。不過實際上,蘇頌還是得藉助於阿拉伯帝國的天文知識。

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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。


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地球在20年間「亮度」變低了!——地球暖化讓陽光反照率直直落

Mia_96
・2021/10/23 ・2757字 ・閱讀時間約 5 分鐘

地球暖化會造成溫度升高?不稀奇!地球暖化會造成人類生活環境越來越嚴峻?也不稀奇!但你有聽過,因為地球暖化,讓我們的亮度竟然逐年遞減,地球變得越來越暗嗎?

地球亮度的改變並不是近期才出現的新興議題,關於地球亮度的變化,科學家早在 1990 年代前後便提出一種現象「全球黯化」(global dimming)去解釋為何地表獲得的太陽光能量越來越低。

當時透過資料指出,進到地球的太陽能量大幅降低,從 1950 到 1990 年入射至地表的太陽光能量,竟然平均減少 4%! 也就是身處在地球上的人類會覺得地表的亮度似乎逐漸地降低。

但入射地表能量降低的原因並非是太陽發出能量的變化,而是因為近幾年我們最常耳聞的,空污現象! (圖/pixabay

當人類使用石油、煤炭等非再生能源發電時,會在環境中產生許多氣膠微粒,而這些氣膠微粒進入大氣,微粒可以吸收、反射入射到地球的太陽光,使太陽之能量無法進到地球表面,進而造成地球亮度降低。

而全球黯化同時也影響著人們過去對於全球暖化的理解,當全球黯化造成入射到地表的太陽光減少時,代表著地球所獲得的能量並不如過往我們所想像的這麼多。換句話說,全球黯化所造成的冷卻效應竟比不上人們所造成的暖化速度!

知曉地球改變亮度的方法——地照!

近期最新研究更是顯示,1998 年到 2017 年近十年內,地球的反照率逐年下降!除全球黯化造成地表獲得太陽能量減少外,當從外太空看著地球時,地球竟然也越來越暗了!

反照率是一種常用於亮度表示的方式之一,其指的是太陽電磁波段入射至地表的總量質,除以被地表反射的量值所得出的數字。不同的地表特性即有不一樣的反射量質。因此,透過反照率的升降,科學家也可以推估氣候變遷對環境所產生的變化與影響。

計算反照率的方式十分特別,在科學中我們將其稱為「地照」!

地照現象指的為當太陽光照射到地表,地表會反射部分太陽光,而當地表反射太陽光至月球未被太陽照到的地方時,月球又會將地表所反射至月面的光線反射回地球。

看似應該沒有被太陽光照射到的月球表面,其實也會因為地球反射之陽光而產生微弱的光。而最適合觀測地照的時間通常為弦月時分。 (圖/Wikipedia

地照的變化與地表的改變息息相關。例如冰雪的反射率較高,當地表溫度較低,累積較多冰雪時,地照數據便可能會上升;而洋面的反照率較低,當地表溫度較高,造成冰雪融化成海洋,則地照數據便可能會下降。

透過地照反射的光線強弱,可以推測地球反照率的變化,進而推測地表本身變化。 (圖/Wikipedia

除了利用地照觀測地球反照率外,為使觀測更加精確,科學家利用於 2000 年發射的 CERES 儀器(Clouds and the Earth’s Radiant Energy System)觀測大氣至地表的太陽光輻射與地表放出之輻射,並進一步分析對影響地球溫度的重要因子──雲,和太陽輻射的交互關係。

CERES 主要希望可以解答雲在氣候變遷中所扮演的角色與造成的影響,是美國國家航空暨太空總署地球觀測系統(EOS)計畫中的一部分。 圖/Wikipedia

研究結果分析發現,從 2000 年到 2015 年,地球反照率曲線一直維持接近平坦的狀態,但近年,地球反照率的衰退卻日益明顯,如下圖表示:

(圖/參考資料 1

橫軸座標為年度,縱軸座標為地照反照率之異常改變(單位為每瓦/平方公尺),黑色為地照異常之數據,藍色為 CERES 觀測到異常之數據,而灰色陰影區域則為誤差範圍。從圖中可以看出,地照反照率在這幾年下降約 0.5 W/m2,而 CERES 之數據則是下降約 1.5 W/m2

十年一變──太平洋年季震盪

科學家推測,改變反照率的原因,是週期性發生在太平洋的氣候變化──太平洋年季震盪。

太平洋年季震盪指的為太平洋的海水溫度會以十年為週期尺度產生變化:當北太平洋和熱帶太平洋間的海水溫度較高時,稱作暖相位;而當北太平洋和熱帶太平洋間海水溫度較低時,稱作冷相位。

而地球亮度改變的原因,正是因為太平洋年季震盪到了暖相位,造成海面低雲減少,反照率降低!

低雲較為溫暖,其主要成分是由水滴組成,當太陽輻射照射水滴時,較多太陽反射至太空,地球的反照率較高,也造成地表溫度降低;而高雲主要成分由冰晶組成,透光性較佳,再加上高雲通常體積較低雲薄,故太陽輻射可以順利進入地表,地球反照率相對降低。

當北太平洋與熱帶太平洋間海水溫度升高時,洋面上空氣需達到飽和的水氣量相對增加,氣塊達到飽和條件較高,低層雲較難生成。(其實背後原因極其複雜,作者僅是以最簡單的方式嘗試解釋。)當低層雲減少時,反射率降低,造成較少太陽輻射至太空,地球亮度因此變得越來越暗。

雲在地球輻射能量中一直扮演著重要的角色,低雲反射太陽輻射的能力較強,高雲吸收地球輻射的能力較強,因此較多的低雲往往造成地表降溫,而較多的高雲則會造成地表增溫。 (圖/pixabay

交織纏繞的反饋機制

看完整篇文章也別急著下結論!其實地球上的現象不僅環環相扣,影響因素更是族繁不及備載,從海溫改變的原因、高低雲量多寡的變化、反照率升降的主因……,我們都很難用單純或是絕對的一段話去完整解釋自然界的現象。

科學家所能做到的,是透過原因推導、盡力的去解釋現象,所以關於地球反照率下降的趨勢原因,除了太平洋年季震盪、海溫升高、低雲變化等,或許也還有科學家尚未清楚的其他可能性。

但同時,令科學家擔心的事情是,因全球暖化造成地表的反照率降低,代表地表接收到的能量、進到地表之能量相對增加,而吸收的能量又加速全球暖化的速度,地球或許會因為這樣的回饋機制持續升溫,造成更加嚴重的溫室效應。如何去因應溫度上升造成的種種問題,也將會是我們需要不斷去思考問題。

參考資料

  1. AGU AdvancesEarth’s Albedo 1998–2017 as Measured From Earthshine
  2. science alert,《Two Decades of Data Show That Earth Is ‘Dimming’ as The Planet Warms Up
  3. Wikipedia,《Clouds and the Earth’s Radiant Energy System
  4. Wikipedia,《行星照

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Mia_96
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喜歡教育又喜歡地科,最後變成文理科混雜出生的地科老師
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