《时间的天文学》作者：黄驰
一~五.正南方~时间的规律
六~九.天赤道~计算太阳的东升西落
十三.天文学中的坐标系
天文学，用数学、物理学准确的描述和解释每一种天文现象。
十四.天文历法
时间，天文学的核心，天文学中最重要的工具，是开启天文学的钥匙。天文学对于时间的定义是天文历法，描述的是天文学中最重要的天文现象--地球的自转和围绕太阳的公转，还有月亮围绕地球的公转。可以说天文学是一们关于时间的科学。
历法，也就是我们现在使用的日历系统。在人类的历史中有很多种历法系统，有东方的、西方的，现在的、古代的，不同民族的、不同地域的，各式各样的历法系统，但是所有的历法都是天文历法，都是利用天体位置变化的时间规律，建立起来的时间系统。不同的是有人以太阳移动的时间规律为基础，有人以月亮移动的时间规律为基础，有人同时使用太阳和月亮的移动规律。
年、月、日、时、分、秒都是天文学对于时间的定义，都有对应的天文现象。天文历法，是天文学对时间的定义，测量和排序。
太阳，与太阳有关的历法
1天，天文学对一天的定义是，正南方连续两次扫过太阳（中心）的时间间隔为一天，这是一个太阳日；或者说，是影子连续两次扫过正北方的时间间隔。太阳日是以太阳为参照物的计时方式，只是这个计时点的刻度是"12:00"，而不是"0:00"。
这就是真太阳时，真实的太阳时，以太阳真实位置（影子）为计时方式的计时系统。真太阳时的计时工具就是日晷。太阳东升西落，影子指示时间，但是真正描述时间的是正南方和影子在日晷面（赤道平面）上的夹角。我们一直使用数学中的角度来描述时间，为了区分时间和角度，时间使用"小时"为单位，角度使用度"°"为单位。时间是将一个圆24等分得到24小时，角度将一个圆等分，得到°，所以时间和角度之间的转换公式是：24小时=°，1小时=15°，4分钟=1°。
时、分、秒，1天24等分是1小时，1小时60等分是1分钟，1分钟60等分是1秒钟。这是数学上的等分关系，非常完美。注意：时间和角度都使用"分、秒"，但是他们的本质含义是不一样的。
其他计时工具，由于在夜晚、阴天、下雨我们无法使用日晷，我们发明了其他计时工具来代替日晷，古代有铜壶滴漏，现在有机械钟表、石英（电子）钟表。获得真太阳时，用钟表和日晷对时，在石英钟上就获得真太阳时，夜晚就可以使用了。
年，历法年，从1月1号开始，到12月31号结束，是1年天。但这并不是数学上的等分关系，这是因为我们只能用整数的天数表示1年的结果，所以才是1年天，称为"历法年"。
年，回归年，天文学对于1年的定义不是从1月1号开始的，而是从春分点开始的，是以太阳连续两次通过春分点的时间间隔为一年，称为"回归年"，与"历法年"的名称相区别。
大地视角
太空视角
无论从大地视角、还是太空视角，回归年都是以太阳两次经过春分点为一年。天文学中真实测量1年（回归年）的长度是.天，并不是完整的天。而历法年，是1年天。这就产生了一个问题，春分时间点在历法年中日期的后移，每年后移0.天，4年后移了约1天，年后移24.22天。今年3月21号是春分，而年后会变成4月15号。为了使春分日期相对固定，消除这个移动，天文学设置了闰年。
闰年，为了使春分的日期相对固定，天文学使用闰年的方法来弥补时间差，每4年闰1天（加一天）。这样春分的日期就相对固定了。这就为什么每隔4年，会多1天----2月29号。
但是随着天文计算精度的提高，每4年闰1天的方法粗糙了一些。高精度计算类似于对0.整数倍取整，闰年的基本规律是：每4年1闰，年97闰，年（97*8-1）闰。体现在公历日历上就是能被4整除的年份是闰年，而每个整数百年不是闰年，例如公元年；而年的整数倍是闰年，例如公元年。
闰年使用后，春分日期就相对固定了，固定在每年的3月21号前后，而不会一直后移。同时夏至、秋分、冬至的日期也就相对固定了，不会一直后移。
月份，30天，31天，28天
公元前年左右，古埃及人根据计算尼罗河泛滥的周期，制定出了太阳历，这是我们现在使用公历最早的源头。太阳历规定一年为天。公元前46年，当时罗马帝国的凯撒大帝决定制定新的历法。
最初的设计，一年为12个月；单月是大月，每月31天；双月是小月，每月30天。这样是1年天比天多一天，需要减去1天。因为当时的死刑犯都是定在二月处决，善良的人们希望流血的二月快点过去，所以凯撒大帝就选定从二月减去1天，二月就变成29天了。这种历法被称为"儒略历"。
后来奥古斯都继承了王位，这可是一个小心眼儿的皇帝。他发现凯撒大帝是七月出生的，而七月是大月；自己是八月出生的，八月却是小月。为了表明自己与凯撒大帝的地位相同，他强制性地将八月也定为大月。可这样一来，并将十月与十二月也改成大月，把九月和十一月改成小月。可这样一来，一年又变成天了。奥古斯都从二月中再减去1天，变成28天。还规定年份能被4整除的为闰年，平年二月是28天，闰年二月是29天。
16世纪的意大利天文学家准确地计算出一回归年是.天，每年只有97个闰年，整百的年份能被整除的才是闰年。年，罗马教皇再次修正了儒略历置闰法则，经过修正的儒略历被称为格里历，也就是我们现在使用公历的最终版本。
确定月份大小很多有趣的小故事，从古埃及到凯撒大帝，以及后来奥古斯都，直到年的置润法则确立。看似有趣的故事，其背后都是天文历法的精确计算。如果我们查看二十四节气（黄道十二宫）节点日期，他们都是每个月上旬和下旬固定的一些日子。公历是西方的日历系统，二十四节气是中国的历法方式，但是公历好似是为二十四节气量身定做一般。参考第十二章《计算二十四节气》。
地球绕日轨道是椭圆的。黄道，地球绕日轨道在星空中的投影，在地球上看黄道是一个正圆，这是投影的结果。但是当我们简单计算春分点和秋分点的时差时，就会发现地球轨道并不是一个正圆，而是一个椭圆。从春分到秋分，3月21号到9月23号是天；从秋分到春分，9月23号到3月21号是天，相差7天。春、秋分连线将黄道平分，但是他们的时间差并不是平分，而这7天的时间差都隐藏在了大小月里面。大小月的确定不是表面故事那么简单。
金、木、水、火、土每一个行星的轨道都是椭圆的，这是我们记录行星移动时间规律得到的结果。最早我们认为行星轨道都是正圆的，这也是轨道在星空中投影的结果，古代天文学家也无法通过观测远近确定是正圆还是椭圆。但是当我们对行星位置移动的时间规律进行精确的测量后，通过对行星移动时间规律的计算，我们得出了行星轨道是椭圆的，不是正圆。
月亮，与月亮有关的历法
月亮，是星空中除了太阳最亮的天体，视觉直径和太阳视觉直径大小相当，是地球的卫星，围绕地球公转。月亮的发光是反射的太阳阳光。由于太阳、月亮、地球之间几何位置的变化，月亮有阴晴圆缺。月亮阴晴圆缺变化的时间规律，我们称为朔望月。朔为全黑，望为全白，朔望月的平均周期是29.天。这就是为什么一个月的时间是30天左右的原因。
但是公历（阳历）中的月份的定义只是使用了30天这个时间长度单位，而不是根据月亮圆缺变化规律定义的。而农历（阴历）中的月份，则是以月相的变化规律为基础的。在中国传统文化中，有阴阳说，白天为阳，黑夜为阴；白天太阳为阳，夜晚月亮为阴，所以以太阳计时的历法又称为"阳历"，以月亮计时的历法又称为"阴历"。
农历，中国传统历法。它根据月相的变化周期，每一次月相朔望变化为一个月，朔--全黑，农历定为每月初一；望--全白，为阴历的十五或十六；并且农历利用一个太阳回归年划分为24段，形成二十四节气。通过参考太阳回归年，设置闰月的方法使其平均历年与回归年相适应。所以农历是融合阴历与阳历形成为一种阴阳合历的历法。
19年7闰，农历每年也是12个月，1年=29.x12=.天，比天少好几天，所以农历使用闰"月"的方式弥补少了的天数，规律是19年7闰，19年时间中增加7个闰月，共12x19+7=个月。
农历：29.x=.天
公历：.x19=.天
对比农历和公历，19年的天数差0.09天，这在日历计算中可以忽略。如果我们翻看19年前的日历，农历和公历对应日期和今天的是相同的。
日历，对比年和年2月日历。春节，立春、雨水、惊蛰。我可以看到农历，二十四节气，公历之间的关系。每一年立春、雨水、惊蛰的日期都是相对固定的。而农历和阳历重合要相差19年。
农业耕作，古人的农业耕作是根据二十节气制定的，这是因为农业耕作（植物的生长规律）是跟随春夏秋冬季节变化而变化的，也就是根据太阳高度角变化规律变化的。这就是我国作为一个农业国家，古人在使用阴历的同时还要编制二十四节气来指导农业耕作的原因。
农历的制定相对于公历，对天文历法计算的要求更高，他要同时考虑太阳的周期和月亮的周期；但是反过来讲，虽然公历只考虑太阳的周期，但是他更简单，更方便于记忆和使用。年新中国成立，我们开始用公历纪年。现在我们可以看到公历和二十四节气是完全重合的，对于农业耕作的制定，公历是更简单的。但是我们同样保留了农历纪年，这不仅仅是因为我们的文化传统，农历中依然还有很多实用的天文现象。
"春节"，中国农历新年，农历正月初一。"元宵节"，农历正月十五。"中秋节"，农历八月十五。端午节，农历五月初五。九九重阳节，农历九月初九。
"清明节"，中国传统节日，每年公历的4月5号前后，这里不是"农历"，这是因为他是二十四节气之一。"立春"，每年的2月4号前后，他是二十四节气之一。
每年春节的日期在一月下旬到二月中旬变化，这是19年7闰的结果。对比二十四节气公历日期的相对固定，春节日期的变化是很大的。赏月，是月圆之夜，是农历的十五、或十六，这和公历日期是没有关系的。
日食、月食，当太阳、地球、月亮在一条直线上时，月亮在太阳和地球中间，月亮挡住了太阳光是日食。当地球在太阳和月亮中间时，地球挡住太阳光是月食。根据日、地、月的位置关系，我们可以看到，日食发生的日期都是农历中的初一，月食发生的日期都是农历中的十五或十六。
潮汐与农历，潮汐，是发生在沿海地区的一种自然现象，是指海水在天体（主要是月球和太阳）引潮力作用下所产生的周期性运动。习惯上把海面垂直方向涨落称为潮汐，而海水在水平方向的流动称为潮流。人类的祖先为了表示生潮的时刻，把发生在白天的高潮叫"潮"，发生在晚上的高潮叫"汐"，这是潮汐的名称的由来。每天高潮位有两次，相差约12小时，低潮位也有两次，也相差12小时。高潮和低潮之间相差约6小时。
我们以农历每个月十五为例，潮汐发正在约中午12:00和子夜0:00，然后潮汐时间每天延后约1小时，到农历初一潮汐时间有回到约中午12:00和子夜0:00，这里的时间也是真太阳时。潮汐的时间是随着月亮变化的，但还受到地形的影响，这里我们就不展开研究了。潮汐是农历，潮汐的大小也是随农历变化的。农历每个月的十八和初三，潮位最大，然后到二十五、初十潮位最小，再逐渐增大。潮汐的时间规律和农历有关，和公历月份是没有关系的。
潮汐的规律主要跟随月亮的位置周期变化。在我国最有名的潮汐现象，是八月十八钱塘江大潮，这个日期是每年农历的八月十八，而不是公历。其实每个月大潮时间一般都在农历每个月的初三和十八，由于降雨季节，台风季节等气候影响的叠加效应，每年农历八月份潮水较大，而逐渐形成了八月十八最大潮的风俗习惯。
恒星，以太阳为计时参考点的是太阳日，和回归年。一月亮为计时参考点的是朔望月，除了以太阳、月亮为计时参考点，天文学中还以恒星为计时参考点，对应的是恒星日，和恒星年。太阳日，随着地球的自转，正南方连续两次扫过太阳（中心）是1天24小时，是°。恒星日，随着地球的自转，正南方连续两次扫过同一颗恒星，也是1天是°。我们发现这两个°时间不一样长。两个°都是°么？哪一个是真实的°？
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