“二十四節(jié)氣”是中華民族農(nóng)耕文明的產(chǎn)物，也是我國寶貴的非物質(zhì)文化遺產(chǎn)，千百年來在指導(dǎo)中國人的生產(chǎn)生活實(shí)踐方面發(fā)揮了巨大作用。即日起，科普中國聯(lián)合中國氣象學(xué)會(huì)推出“節(jié)氣科普”系列原創(chuàng)內(nèi)容，帶您盡攬華夏智慧之美。

夏至，于對北半球特定地點(diǎn)而言，是正午太陽高度最高、全年白晝最長而黑夜最短的一天，宛如盛夏奏響的激昂序曲，宣告著一年中最熱烈時(shí)節(jié)的到來。其實(shí)，太陽直射點(diǎn)的移動(dòng)及其對地球產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響，早在遠(yuǎn)古時(shí)期就已進(jìn)入古人的視野。今天，我們就一起聊一聊古人觀測太陽的古老話題。

陶寺觀象臺(tái)：縫隙中觀測太陽光影

早在4000多年前的陶寺，先民們就用獨(dú)特的方式嘗試與時(shí)空進(jìn)行對話。位于山西省襄汾縣的陶寺遺址上，坐落著一排13根直立的夯土柱，構(gòu)成半徑10.5米的半圓形觀測臺(tái)基，柱間形成12道寬0.2至0.5米的觀測縫，這是中國迄今最早的“問天”和探索宇宙的天文設(shè)施，也是我國傳統(tǒng)二十四節(jié)氣的主要源頭。

陶寺遺址原址處復(fù)原重構(gòu)的“古觀象臺(tái)”。

圖片來源：央視一套《開講啦》

站在觀測點(diǎn)上，當(dāng)時(shí)的天文官可以通過縫隙觀測到塔兒山山脊，通過日出在不同柱子縫隙中出現(xiàn)的位置，便能大致判斷出節(jié)令。例如今天，便可以觀測到日出出現(xiàn)在東12號(hào)縫上。

周公測景臺(tái)：立竿無影的“地中”之證

相傳，周公旦輔佐周成王時(shí)，為了“辨方正位”“天下之中”，于西周初年（約公元前1037年）在河南登封建筑土圭，通過測量日影來確定時(shí)間和節(jié)氣。測景臺(tái)由石圭（帶刻度的水平尺）、石表（柱體）、石頂（冠球）三部分組成。

夏至正午，陽光如金色的絲線灑下，石表投影縮至最短。周公使用圭表法進(jìn)行天文測量，確定地中位置。這在《周禮·地官·大司徒》中有明確記載：“以土圭之法，測土深，正日景，以求地中。”這段話的意思是，在夏至日的正午時(shí)分，用八尺圭表測量影長，當(dāng)影長恰好為一尺五寸時(shí)，便是地中的位置。此時(shí)表頂石球的投影邊緣恰好與石圭底座上的特定位置重合，營造出石表“無影”的奇妙視覺效果，古人將其視為“地中”確證。這就是被廣為流傳的“立竿無影”。

東漢銅圭表：折疊間的科學(xué)精妙

1965年，考古人員們在江蘇儀征的一座東漢墓中發(fā)現(xiàn)了一件“便攜式”折疊銅圭表（現(xiàn)藏南京博物院）。

銅圭表 南京博物院藏

圖片來源：南京博物院官方微信公眾號(hào)

“晝參日影，夜觀極星，以正朝夕。”圭表是中國度量日影長度的一種天文儀器，由“圭”和“表”兩個(gè)部件組成。垂直于地面的直桿叫“表”，水平放置于地面上刻有刻度以測量影長的標(biāo)尺叫“圭”。正午陽光照射之下，“表”的影子投射在“圭”上，根據(jù)影子的方向和長短，就能讀出季節(jié)和時(shí)間。早在公元前20世紀(jì)，我國中原地區(qū)就已經(jīng)熟練應(yīng)用圭表測影法。而這件銅圭表大小約為天文觀測圭表的十分之一，表與圭通過樞軸巧妙連接，可以隨時(shí)啟合，利用日影長短變化判斷方向、距離、時(shí)間等，可能用于道教煉丹計(jì)時(shí)。這種設(shè)計(jì)使得圭表成為便攜式的測影儀器，展現(xiàn)了古人的精湛技藝。

登封郭守敬觀星臺(tái)：中國元代天文觀測中心

在河南省登封縣城東南約15公里的告成鎮(zhèn)，聳立著一座高大宏偉的建筑物，為元代天文學(xué)家郭守敬創(chuàng)建，不僅是中國現(xiàn)存最古老的天文臺(tái)，還是世界上現(xiàn)存最早用于觀測天象的建筑之一。
值得一提的是，上文提到的周公觀景臺(tái)，也坐落于此地，位于其南側(cè)。

圖片來源：新華社（李安 攝）

郭守敬的觀星臺(tái)與周公測景臺(tái)原理相通，不僅可以地觀日影，也可登高憑欄，追日月星辰。40尺高表，打破傳統(tǒng)8尺表高限制，將日影變化放大5倍，顯著提升精度。石圭（俗稱“量天尺”），沿子午線鋪設(shè)，圭面刻雙股水道校驗(yàn)水平。明并使用帶孔銅片（景符）利用小孔成像原理銳化表影邊緣，使影長測量精度達(dá)±2毫米（此前誤差超1厘米）。通過夏至影長等數(shù)據(jù)，他測定的回歸年長度值（365.2425日）與約300年后歐洲格里高利歷所采用的數(shù)值相同。以影長極值定冬至、夏至，等分點(diǎn)定春分、秋分，最終劃分二十四節(jié)氣。

此臺(tái)將磚石結(jié)構(gòu)與光學(xué)、幾何學(xué)熔鑄為“凝固的觀測儀”，以毫米級(jí)精度改寫人類天文史。

結(jié)語

現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)為，太陽能是驅(qū)動(dòng)地球氣候系統(tǒng)和絕大多數(shù)生命過程的主要能量來源，而太陽直射點(diǎn)移動(dòng)導(dǎo)致的正午太陽高度和晝夜長短變化，意味著季節(jié)和氣候的更替，這一切又與各類生物的生長繁衍密切相關(guān)。如今看來，許多古代觀測技術(shù)的精妙細(xì)節(jié)和極高精度的實(shí)現(xiàn)方式，至今仍令現(xiàn)代人驚嘆，部分細(xì)節(jié)仍待深入研究。

作者：王元紅 天氣氣候高級(jí)工程師、中國作家協(xié)會(huì)會(huì)員、中國氣象學(xué)會(huì)會(huì)員

審核：

陳云峰 中國氣象學(xué)會(huì)科普工作委員會(huì)副主任委員、正研級(jí)高工

吳宇 中國氣象學(xué)會(huì)科普部 項(xiàng)目主管

策劃：翟國慶 閻冬 史文慧

聯(lián)合出品：科普中國×中國氣象學(xué)會(huì)