太阳那么毒，我们测个影吧

    这几天北京的气温已经上升到新高度啦！你是否感叹，天气太热，无心工作？

    不过，在古代，总有那么一群人，顶着烈日丈量大地上的影子。对了，他们就是古代钦天监的天文学家们！为了完成修订历法的国家重大专项课题，他们起早贪黑，昼参诸日中之影，夜考之极星。今天我们就来聊一聊立杆测影这件事儿吧。

    古人是怎样知道时间的？

    远古时，人们“日出而作，日落而息”。在长期的劳动和生活实践中，逐渐产生了周期和简单的数的概念，于是开始“结绳记日”或“刻木记日”。

    经过长期的观察，古人发现太阳每天有规律地东升西落，就是一天；月亮有规律地阴晴圆缺，就是一个月；而寒来暑往一个周期，就是一年。太阳与人类的关系如此密切，以至于对太阳位置的观测从很早便开始了。

    立杆见影 利用物体的影子来判断时间

    最简单的天文仪器“圭表”，是由“圭”和“表”两部分组成的。“表”是直立在地面上的一根杆子或铜柱。同时，古人又在地面上水平放置一把尺子，用于测量影子到达正北方时的长度，这把尺子叫做“圭”。

    圭与表相互垂直组成圭表。表的高度一般为八尺，圭则可以更短或更长，以能够测量夏至时的最短影长或冬至时的最长影长为限。古人利用圭表来定方向、定节气、定时刻、定地域。

     圭表测影示意图

    在一年中，随着季节变化，太阳每日正午时的高度亦有所不同：每年夏至时太阳在天空的位置最高，日影最短；冬至时太阳在天空的位置最低，日影最长。通过测量表杆的日影，从最长再到下一次最长的时间间隔，就是“年”的长度，用这种方法测得的“年”，在天文学中称为一个回归年。

    地球绕太阳公转一周即一个回归年

    世界上最古老的圭表 陶寺圭表   

    2002年，考古学家在山西襄汾发现的观象台遗址，被誉为中国考古天文学的开端。陶寺大墓中出土的两根漆杆，可能是世界上最古老的圭表，它距今已有四千多年。

       陶寺IIM22:43漆杆出土示意图

    最有纪念意义的圭表 周公测景台

    相传三千多年前，周公姬旦用木制土圭测量日影，确定“地中”。唐代天文学家南宫说为保存旧制，做石表代替木表，并刻上“周公测影台”五个大字。该遗址位于今登封市告成镇。

        周公测影台

    世界上最小的圭表 袖珍铜圭表

    1965年，江苏仪征一座东汉墓葬中出土的一件袖珍铜制圭表，它由19.2cm高的表和34.39cm长的圭构成，圭表之间有枢轴相连，可将表平放于圭内，圭表合装一体，启合自如，携带方便。

    东汉袖珍铜圭表

    世界上最大的圭表 观星台

    位于河南登封的观星台，是元代天文学家郭守敬制造的高表。观星台利用台体石壁为支撑，表高四丈，是古制八尺表的五倍，通过将圭表增大，可以获得更高的测影精度。不仅如此，郭守敬还创制了景符，用来与高表配合观测，为编制《授时历》提供了重要依据。

        河南登封观星台

    立杆无影

    只要站在有太阳的地方，就能看到自己的影子，这是我们的常识。然而，如果在有些地方的特定时间，站在太阳下却看不到自己的影子，你相信吗？

    其实，这是因为地球自转轴与公转轨道之间有一个夹角，叫黄赤交角，我们的季节交替就是由于黄赤交角的存在而产生的。也正是因为如此，在地球上北回归线以南的区域，每年都会发生太阳从90°角直射的情况，这时候自然也就看不到影子咯。

    广州北回归线公园的标志塔

    然而，在唐代的《南海寄归内法传》一书中，却还有“洛州无影”的说法。洛阳显然是在北回归线以北，怎么会无影呢？原来，南宫说所建的周公测影台的基座是一个楔形的斜坡，在夏至日的时候，太阳的高度角恰好与基座坡度相同，也就看不到影子了。

    周公测影台示意图

    亲爱的读者们，你们猜对了吗？

    作者:陈晓，系北京古观象台副台长，负责古观象台天文科普工作。黎耕，博士，国家天文台副研究员、中国科学院大学副教授，国家天文台青促会小组组长，中国科学技术史学会天文学史专业委员会执委。