每天中午12:00的太阳都是在正南方吗?——真平太阳时差(EquationofTime)

ASA美帆联 2023-06-09 10:36:08

太阳的时候跑得快,有的时候跑得慢;

它在天空中的移动速度,每天都各不相同

每天,太阳从东方的某个近似方向(不是正东)升起,在西方落下(当然也不是正西)。在此期间,它会与一条穿过你的头顶上方、横贯南北方向的假想半圆线交汇。在这一时刻,太阳在天空中的高度角最高。

这条假想的线,称为子午线(meridian),太阳穿过子午线的时刻,被称作太阳视正午(Solar Noon)。从某一天的太阳正午,到第二天的太阳正午,中间经过的时间被称为“视太阳日”。

这种通过太阳每天的视运动作为参照的时间 ,称为视太阳时(apparent solar time,也称作真太阳时,实际观测得到的太阳时)。这个时间可以用日晷测量。

太阳每天自东向西的运动,是由于地球的自转造成的,它非常的有规律。在24小时的时间里,地球自转的时间偏差不会数过数毫秒。

我们可能会认为,每天的视太阳日的时间长度都是一样的。

但事实上,取决于一年中不同的月份,视太阳日的时长会偏离24小时大约22~29秒(今天太阳迟到或早到的时间,当然也会累加到明天,所以最终累加的数字会非常可观)。

视太阳日的时长变化取决于两个因素。

·地球轨道是稍微有些椭圆的。当地球靠近太阳时(12月份),它在轨道上的速度会加快。

·地球的自转轴是倾斜的(相对于绕太阳的公转平面)。在冬至和夏至,地球的某一极点会倾斜靠近太阳;在春分和秋分,两个极点距离太阳一样远。

这两个因素都影响了太阳每天在天空中的运动速度。

时钟显示的时间

我的时钟会忽略太阳运动的微小差异。时钟计时非常稳定,一天的时长是24小时,这是太阳在一年中,每个视太阳日的平均时间。

这种稳定、平均的时间 ,被称为平均太阳时(mean solar time)。

视太阳时(真太阳时)与平均太阳时之间的差别,被称为真平太阳时差(Equation of Time)。

真平太阳时差有什么影响呢?

我们下面使用最著名的平均太阳时——格林尼治平均时(Greenwich Mean Time, GMT),来看一下真平太阳时差的影响。

GMT 反映了太阳经过英国伦敦格林尼治小镇的皇家天文台的平均时间。

我们可以使用Sun Calculator应用程序来计算太阳视正午(Solar noon)的时刻,数据以两列的形式给出。

查看你所在城市的太阳视正午时刻。(链接:https://www.timeanddate.com/sun/)

皇家天文台座落于格林尼治公园的小山顶上。

第一个皇家天文学者John Flamsteed,于1676年开始在此观测。

视正午:有时正好是在12:00 GMT……

从平均意义上来讲,太阳每天会在12:00 GMT时刻穿过格林尼治的子午线。

但是实际上,一年之中,只有4天是这样,它们分别是下列四个日期。

大部分时候,视正午都偏离12:00 GMT,有时快,有时慢……

在除这四天之外的每一天,太阳都会早于或过于12:00 GMT经过格林尼治的子午线。

当某一天的视太阳日长度超过24小时,太阳的视正午时刻要比前一天更晚。

当某一天的视太阳日长度短于24小时,太阳的视正午时刻要比前一天更早。

一些最早或最晚的视正午时刻如下表所示。

我们可以把视正午的时刻和日期画在一张函数图象上。

横轴是日期,代表1月1日到12月31日。

真太阳时(以日晷测量太阳的运动)与平均太阳时(时钟的读数)的差别,以分为单位,画在纵轴上。

当格林尼治的视正午时刻晚于12:00 GMT时,以粉红色曲线表示的真平太阳时差取负值。

当格林尼治的视正午时刻早于12:00 GMT时,真平太阳时差取正值。

当视正午时刻正好是12:00GMT时,真平太阳时差是零,此时粉红曲线穿过x轴。

真平太阳时差(粉红色曲线)表示太阳相较于时钟,走快或走慢的分钟数。负值表示太阳走得慢;正值表示太阳走得快。有时候,这条曲线也上下颠倒,正负值颠倒过来,但是形状是一致的。

前面我们以格林尼治作为参考,讨论了真平太阳时差,但是该数值适用于全球所有的地点。

在美国纽约,平均视正午时刻为11:56 EST(之所以不是12:00EST,是因为纽约偏离了它所在时区的时区子午线(zone meridian))。

但是与格林尼治相同,视正午只有在四天出现在12:00EST时刻:4月15日,6月14日,9月1日和12月25日。

对于纽约,视正午的最早和最晚时刻如下表所示。

类似于对视正午时刻的影响,真太阳日的长度变化,还会影响日出和日没的时刻。

这就是为什么在北半球,每年日出最晚和日没最早的日期并不是12月21日(冬至),尽管这一天,北半球的白天长度最短。

在这一时期,太阳日的长度要长于24小时。因此,类似于视正午时刻每天越来越晚,因此日出和日没时刻也是每天越来越晚。

最终的结果就是,日出最晚的一天,要迟于冬至日,而日没最早的一天,要早于冬至日。

天空中的一个8字。之所以会形成有高度变化的8字,是因为一年中,太阳的最大高度也会变化(太阳直射位置在南北回归线之间穿梭);而8字之所以有宽度,就是每天真平太阳时差的影响。

每天的真平太阳时差不同,甚至12小时之后就有变化;因此,在ASA 107《帆船天文航海》的天文历数据中,“每日页面(Daily Pages)”中就列出了这组数据。

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