一天有多长？难道不是24小时吗？_风闻

原创：中科院物理所

一天有多长?地球绕自转轴转一周需要多长时间?

也许你会觉得这两个问题的答案显然都是24小时。但是正确的答案并不是这样的。在以远处的恒星为参照时，地球的自转轴总是近似朝向一个固定的方向。它大概指向北极星。地球绕这个轴旋转一周大约需要23小时56分4秒。在这么长的时间内，所有的恒星都好像绕着地球转了一周然后又回到原处。天文学家把这个周期称为恒星日。

恒星日比太阳日短：在时刻1，太阳处于头顶。在时刻2，虽然地球自转了一周，但是太阳并没有重新处于头顶。只有到了时刻3，太阳才重新回到头顶。

除非我们都是天文学家且我们关心的是各个恒星在天空中的位置，否则我们更加倾向于用太阳的位置来测量时间。我们将一天时间定义为太阳两次出现在正南方的时间间隔。

地球不只是绕着它的自转轴旋转，同时它还在绕着太阳公转。在地球完成一次自转的时间内，它在公转轨道上走过了约1/366。因此，当地球完成一次自转时，太阳不会重新回到原来的位置。这也造成恒星日比太阳日略短：以太阳日来衡量的话，如果太阳刚开始处在你的头顶，那么经过一个太阳日，太阳又一次出现在头顶。但是如果以恒星日来衡量，经过一个恒星日，太阳还没有再次到达头顶，它需要1/366个太阳日才会出现在你的头顶。

在维多利亚时代，相距遥远的两地之间的快速航行成为可能。这意味着有必要在全球范围内将两个不同地方的时间进行比较。当时，想要用太阳的位置确定每个地方的时间是不现实的。例如，如果按照太阳的位置确定时间，那么伦敦和布里斯托尔的时间会相差十分钟，尽管两地仅仅相距120英里。但在19世纪中叶，火车两小时内就可以走完这段路程。根据1884年的国际公约，伦敦郊外的格林威治皇家天文台被确认为全世界计时的参考点。当格林威治的太阳处于正南方时，记此时的时间为正午12点，这就为世界上其他地区设定了计时参考点。格林威治标准时间（GMT）成为世界各地设置时钟的标准时间。

我们很容易就能看出GMT中的G(greenwich)和T（time）的意思，那M是什么意思呢？地球绕太阳的运动并不像我们前面提到的那么简单。如果地球的自转轴和轨道平面垂直并且地球轨道是完美的圆形，那么我们的之前说的就是完全正确的。但是地球的自转轴和轨道平面的法向成大约23.5°角。虽然地球轨道的形状很接近圆形，但是实际上它是椭圆，看起来像一个压扁的圆。

这个事实意味着每年不同时间段太阳相邻两次出现在正南方的时间间隔略微有点不同。平均来讲，周期是24小时。但是，在一年的时间范围内，这个周期有时略长一些有时略短一些。一天的时间被定义为太阳转动周期的平均值。所以，无论什么时间段，一天的长度是一定的。这样，一年时间就被切割成了彼此相同的小段。如果你用日晷来计时的话你会发现日晷指示的时间和手表上的时间时常不一样。精密的日晷通常会搭配一个校正表，它会告诉你每年不同时间日晷得到的时间和格林威治标准时间相差多少。每年不同时段平均太阳时和实际太阳时之间的差别被称为均时差（equation of time）。2月12号太阳距离地球最远，两者差距达到14分20秒。11月3日两者之差达到最大的16分23秒。4月16日，6月14日，9月2日和12月25日格林威治时间和日晷给出的时间刚好重合。

地球的公转轨道和自转轴

我们可以绘出每一天格林威治标准时间的中午12点太阳的位置，这样我们可以在天空中表示出时间方程。一年中的一部分时间里，太阳出现在正南方的时间会迟于12点，12点时稍微偏东南方。在一年中的其他时间，太阳略快于格林尼治标准时间，12点时稍微偏西南方。把这些位置连起来将在天空中产生一个数字，看起来像数字8。8的顶部是夏至时太阳的位置，它是一年中最高的。8的底部是太阳在冬至时的位置。这个图形叫做8字曲线

天空中画出的8字曲线

太阳位置与格林尼治标准时间相吻合的四天可以从图表中读出，因为它们是8字曲线穿过图表垂直零线的日子。

八字曲线在每个纬度上都有相同的形状，但它在天空中的位置会因所在地不同而不同。例如，在北极地区，由于冬季中期太阳完全位于地平线以下，因此8字曲线下部的一部分永远不会出现；而在赤道地区，8字曲线则直接从头顶延伸出来。在南半球，相对于北半球，8字曲线是颠倒的。

如果地球的轨道是完全圆形的，那么八字曲线的两瓣将是彼此的镜像。然而，由于地球的轨道是椭圆形的，这就使得8字曲线的形状不对称。地球绕轨道运行的速度取决于它与太阳的距离：当它靠近太阳时，它的运行速度更快。开普勒行星运动第二定律描述了这一点，该定律指出，一条连接地球和太阳的线段在同一时间内扫出面积相等的区域。地球在1月3日左右到达离太阳最近的点。因此，在北半球的冬季，地球每天所走过的长度北半球的夏季要长。这会影响8字曲线的外观。在北方和冬天对应的一部分比在夏天的部分大。

另外，如果最接近太阳的日期正好与冬至（12月21日）一致，相应的8字曲线处在最低点，那么8字曲线的左侧将是右侧的镜像。这是因为地球在冬至后的任何一天都会以与冬至前相同的速度围绕太阳运行。

火星行星轨道的偏心率远大于地球轨道的偏心率。换句话说，由火星轨道形成的椭圆比地球的轨道更扁。因此，火星上的8字曲线是梨形的。它完全失去了一个瓣。在下方的图片中，太阳的位置每30天绘制一次。

火星上看到的8字曲线

近年来，叙利亚艺术家伊萨姆·库巴吉从科学界，特别是光和光学界获得了灵感。伊萨姆是剑桥基督学院的常驻艺术家和拜拜院士，他在剑桥大学800周年纪念年时用了8字曲线作为主题。这就是他的8字曲线雕塑的灵感来源，是由计算机模拟生成的。请点击此处查看动图。

伊萨姆还设计了一个8字形日晷，是一件行为艺术品，是剑桥大学800年科学庆典的一部分。

原文链接：

https://plus.maths.org/content/how-long-day