大家都非常清楚,地球自转产生了白天和黑夜的交替,一个昼夜就是一天。
如果有人问:一天是多长时间?
估计你会毫不犹豫地答“24小时”。
如果再追问:地球自转周期是多长时间?
记忆力略好点的朋友,应该也不难回答“23小时56分4秒”。
那么问题来了:地球自转一周不是一天吗?那我们一天下来,到底是过了24小时,还是过了23小时56分4秒呢?
这个问题还有以下两个变形,也是平时经常被问到的,但本质与上述问题一样:
1、是不是我们一天实际只过了23小时56分4秒,但为了日常习惯方便,我们将一天近似为24小呢?
2、钟表的刻度,一天转两圈的显示时长是24小时,但实际只花了23小时56分4秒,对吗?
今天,就这个日常问题,和大家唠个清楚。
但在唠这问题之前,我们先讲两个看似不相*概念——太阳时和恒星时。
当然,对于已清楚这个概念的同学,以下内容可以选择性飘过。
太阳时
自古以来,人们日出而作、日落而息,受太阳的影响非常明显。
如今大家都知道,地球有自转,产生了白天、黑夜的交替;地球同时绕太阳公转,产生了一年四季的变化。
人们把太阳处于某地的正上空(后简称“中天”)作为一个计时起始点,到下一次日中天作为终止点,这两个计时点的时间差为一个太阳日,又叫真太阳日。
这里说的“真太阳日”,就是平时我们看到日起日落的一整天。由于地球赤道面与黄道面存在一定倾角,且地球轨道不是标准圆形(椭圆),因而地面不同地方每日光照时间不完全相同,也就是说“真太阳日”一天的时长各不相同。
为了使太阳日时长具有规律性,人们将两个春分点的时间差叫作一个“太阳年”。
再将一个太阳年按365天均分,得一个均等的太阳日,叫“平太阳日”。
如此下来,平太阳日的每日时长就完全相等了。
再把一个平太阳日按24等分,每一等分叫作一个“太阳时”。
显然,相对于真太阳日,这个太阳时严格说应叫“平太阳时”。
一个平太阳时,就是我们当前的1小时,即3,600秒。
最后,人们把太阳年、太阳日、太阳时的计时系统,又统称为“太阳时”概念。
在没有特别强调的情况下,其中“日”取的是“平太阳日”,“时”取的是“平太阳时”。
现在,问题出现了。
上面说的一个(平)太阳日,真的是地球自转一周的360°吗?
古时,人们对星相的研究就发现,夜空星星并非保持一成不变。即使每晚相同时刻观察,其都有周期性整体“迁移”迹象。
随着认识水平提高,科学家已精确测量出地球的自传周期——23小时56分4秒,这说明地球自转一周不是我们一天计时的24小时。
如上图模型,当地球沿着公转轨道从A点到B点刚好自转一周(360°)时,此刻太阳对地面观察者而言还不是日中天。等过一段时间到达C点日中天时,地球转过的角度已达360°59′10″。
如此,一天(平太阳日)时间与地球自转周期不能严格划等号,这对统一计时非常不方便,对“差之毫厘失之千里”的天文、地理等精细研究更是影响巨大,因而人们需要一个相对更严格的计时系统。
恒星时
“太阳时”是以太阳作为参照标志,由于太阳距离地球相对太近,其自转一周时间内的公转距离不能忽略不计。于是,人们需要寻找一颗遥远的恒星作为参考标志。
如上图模型,地球自转一周周期内,即使同期公转从A点到了B点,但由于这颗恒星距离十分遥远,其对地球观察者而言没有视觉偏差。这样,地球自转一周的周期与第二次恒星中天(B点)的时间间隔完美重合,即将这一段时间差称之为一个恒星日,又叫 真恒星日。
理论上,随着地球公转的位置移动,任何一颗真实存在的恒星对于地球观察者来说都存在视觉偏差,所以这是一颗假想的无限远恒星。
有“真恒星日”叫法,对应的,是不是也有“平恒星日”呢?答案是肯定的。
人们在实际观测中,选取的任意恒星总是距离有限的,那么黄赤交角、地轴章动、公转轨道等因素总会带来观测结果的偏差。所以,人们只能最大化减小这种偏差,通过地面多点位、多次测量两个春分点的时间差,定为一个“恒星年”。
再将一个恒星年按365天均分,得一个均等的恒星日,叫“平恒星日”。
再把一个平恒星日按24等分,每一等分叫作一个“平恒星时”。
如此,一个平恒星日太阳并没有第二次日中天,但这却是地球自转一周的真实时间。
不难理解,一个平恒星时不是我们当前的1小时,实际只有约3,590秒。
最后,人们把恒星年、恒星日、恒星时的计时系统,又统称为“恒星时”概念。
在没有特别强调的情况下,其中“日”取的是“平恒星日”,“时”取的是“平恒星时”。
回归问题
“太阳时”和“恒星时”是两个不同方式的计时系统,两者相差的3′54″怎么办?如何将两者统一起来,不至于在日常生活中不会出现错乱?
如上图,地球在一个太阳日的自转角度要比一个恒星日要多出59′10″。按一年昼夜更替365次算下来,地球自转要多出约359.9°(即 约一圈)。
这表明,地球在一年内实际自转了366圈,也就是说一年内(按人们作息规律的一个太阳年)有366个恒星日。
没错,一年有365个太阳日,恒星日却是366个。只是我们的历法和计时都是遵循昼夜更替规律,所以日常生活中我们并不拿恒星日的天数说事。
最后,本文开篇问题的答案已呼之欲出:
我们一天下来确实是过了完整的24小时,并没有少那所谓的“3分56秒”,钟表计时也是真实的24x3,600秒。
而经常讲的“一天只有23小时56分4秒”,那只是根据地球自转周期的另一个计时方式——“恒星时”,而恒星日并不在日常生产生活中体现,多是用于航空航天、宇宙探索等科研领域。
课外作业:地球每天(太阳日)多转了59′10″,按道理乘上365之后,应该和恒星年一样有366圈,但我们并没有感觉到有366个昼夜更替,这其中的一个昼夜更替现象又跑哪去了呢?