浅谈年月日:天文学里的时间差异

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说起年、月、日的长度,可能大家首先想到的会是生活中常用的365天、30天、24小时。不过在天文学中,年月日却是有很多不同的种类和长度,下面我们就来简介几种天文学里不同的时间长度。

一、恒星日与太阳日

日月星辰东升西落,这是由于地球的自转产生的现象,而地球的自转周期为23h56m4s,被称为一恒星日。很明显,它并不等于我们日常生活中所使用的一天24小时,也就是一平太阳日。为何两者会有所不同?因为我们的地球在自转的同时,还在绕太阳公转。大家可以想象,假如地球停止自转,那么在它绕太阳公转一圈的时间内,地球上的人们仍然会经历一次昼夜交替(只不过由于地球逆时针的公转,太阳此时会西升东落)。由于太阳日是指一昼夜的长度,如果我们考虑到地球公转的影响,那么恒星日和太阳日必然不会相等。如下图:

由图可见,当地球完成一恒星日的自转后,A点还需再转过一个小角度才能和太阳处于同一相对位置上,从而造成平太阳日大于地球自转周期。其实,由于地球公转速度不均,太阳日的实际长度是不固定的,而这个实际的昼夜长度被称作一真太阳日

二、恒星月与朔望月

月球是地球唯一的天然卫星,作为天空中一道亮丽的风景,月相的变化也和我们所使用的农历月息息相关。月相的变化,是由于月球绕地球的公转,导致地球上的人们看到的月亮相对太阳的位置不同,因此所能看到的月亮被太阳照亮的部分也不同。月相变化的周期是29d12h44m3s(29.53天),称为一朔望月;而月球绕地球公转的周期,是29d7h43m11.5s(27.32天),称为一恒星月

为何月相的变化周期,不等于月球的公转周期?这和刚才所说的恒星日不等于太阳日的原因是一样的,是由于地球绕日公转,或者说,是由于地球带着月球绕太阳公转。我们把环绕地球的月球放入上一问题的图中,会发现当月球完成一圈绕地球的公转时,却也绕太阳公转过了一个角度,因此它必须再经过一段时间才能与太阳和地球处于同一相对位置,完成一个周期的月相变化。

说到这,不妨请大家思考一个问题,月球上一昼夜的长度是多少呢?如果你结合我们刚刚讨论的两个问题,就可以得出结论:月球上的太阳日长度正是一朔望月。因为月球被地球潮汐锁定,始终只有一面朝向地球,因此其自转和公转的周期相等,所以我们可以由其公转(自转)周期,用同样的方法得出一朔望月其实就是月球一昼夜的长度。

三、恒星年与回归年

如果你简单地认为,地球绕太阳转一圈就等于一年的长度,那你就大错特错了。天文学中的“年”其实有很多种,这里我们只介绍两种,恒星年和回归年。

恒星年:即地球公转的周期,为365d6h9m10s(365.256天);回归年:可以视作四季交替的周期,为365d5h48m46s(365.242天)。为何不能直接把地球公转的周期当作四季交替的时间呢?主要原因在于太阳和月球的引力对地球的自转轴有影响。由于地球并不是完美的球体,且自转轴存在23°26′的倾角,日月的引力会使地球的自转轴绕垂直于黄道面(即地球公转轨道面)的方向做一个以26000年为周期的、顺时针的摆动,这一现象被称为岁差。正是由于岁差现象所造成的地球自转轴的摆动,导致了太阳连续两次直射南或北回归线的时间短于地球公转周期。

如果你熟悉天球坐标系,你也许听说过岁差所造成的两个现象:北天极的变化和春分点的移动。地球自转轴的摆动,在天球上的直观表现是北天极绕北黄极的旋转,虽然现在的北极星是勾陈一(小熊座α),但大约3000年前,曾经靠近北天极的恒星是右枢(天龙座α)。此外,岁差也会使春分点(即黄道和天赤道的交点之一)沿黄道缓缓向西移动,所以我们也可以更准确地把回归年表述为“太阳连续两次经过春分点的时间间隔”。

 

实际上,天文学中的各种时间和周期要比上文所介绍的复杂得多,本文也只是在尽量准确无误的前提下简洁地科普一部分知识和内容。要把这些时间与日常的生活习惯相结合,天文学家们也是花了不少的功夫,闰秒、闰月、闰年等,都是人们为了尽量消除真实的和生活中的时间差异所采取的措施。


参考资料:

1.《基础天文学》,刘学富,高等教育出版社

2.《天文·时间·历法》,李芝萍、贾焕阁,气象出版社


作者:丛雨

校对:毫秒

APC科普组编辑部

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