穿越時空的記憶

趙大明

日晷的計時原理

立竿可以測影，測影可知時刻，這就是最簡單的日晷計時原理。

要搞清楚日晷為什么能夠計量時間，首先需要知道一些必要的天文學知識，其中最重要的是地球與太陽的關系。我們知道，地球在圍繞太陽公轉(zhuǎn)的同時，還在以地軸為中心軸不停地自轉(zhuǎn)。公轉(zhuǎn)一周為一年，并產(chǎn)生了四季，自轉(zhuǎn)一周為一天，并產(chǎn)生了晝夜。

由于地球公轉(zhuǎn)的軌道不是正圓形，而是近似橢圓形，受此影響，它在一年中與太陽的距離時長時短，受到太陽的引力有大有小，因此公轉(zhuǎn)的速度不是恒定的。同時，地球自轉(zhuǎn)時地軸與黃道平面（地球公轉(zhuǎn)軌道平面）的夾角不是垂直的90°，而是約66.5°，因此形成黃道平面與赤道平面的夾角（黃赤交角）約23.5°。也就是說，地球是忽遠忽近、忽快忽慢的歪著身子繞著太陽公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的。因此，地球與太陽的關系遠比我們這里說的更為復雜。

隨著地球不停地自轉(zhuǎn)，我們會看到，太陽每天從地平線上升起，陽光透過大氣層投射到地球表面，遇到物體遮擋時，便會形成陰影。這個影子在中國古代稱作“晷”。

由于地球與太陽的位置關系是相對穩(wěn)定的，按照一定規(guī)律變化的，因此，太陽光投射到地面某個固定物體產(chǎn)生的影子也是有規(guī)律變化的。根據(jù)影子的位置，即影子與某些固定參照物的角度、距離等，人們便可以判定或標記此時此刻的時間（包括節(jié)氣和時刻）。這就是日晷計時的基本原理。

日晷的定義

根據(jù)日晷的計時原理不難得出這樣的定義：日晷——天文學儀器——是利用日光或日光的投影與地面參照物的位置關系來計量時間的工具。

之所以用這樣一個似乎過于寬泛的定義，是因為日晷不完全是我們見過的那些樣式。換句話說，晷面、晷針等這些通常的配置，并不一定是日晷的標配。實際上，根據(jù)日晷的基本原理，一些結(jié)構(gòu)特殊的日晷，比如投射式日晷，可以完全不用晷針和晷盤，但它們?nèi)匀环先贞械挠嫊r原理，也應該算作是日晷。再有，中國的圭表、古埃及的影鐘等，為什么也應納入日晷之列？因為圭表完全符合日晷的計時原理和方法，只是計時的單位有所不同；影鐘也只是名稱不同而已。

日晷時與標準時

日晷是根據(jù)太陽與地球上的觀測點的位置關系來測定時間的，這個測得的結(jié)果一般稱作“日晷時”，在天文學上稱作“真太陽時”，即觀測點當?shù)?、當時與太陽的位置關系形成的時間點。太陽兩次經(jīng)過同一地點的時長稱作“真太陽日”。由于地球公轉(zhuǎn)速度不等，加之黃赤交角的存在，造成（從地球上看）太陽每天經(jīng)過地球上的某一點的位置也會有些許不同。因此，“真太陽日”在一年當中的每一天也不是完全等長的。

為了克服日地關系中的這個“瑕疵”，讓時間精準地服務于人類社會，人們將所有“真太陽日”的平均值規(guī)定為“平太陽日”，即現(xiàn)代人日常生活中使用的“日”，它所包含的時間點稱作“平太陽時”，簡稱“平時”。

“日晷時”與“平時”之間存在著隨周年變化的時差。這個時差是有跡可循的，也是可以計算的：平時=日晷時——時差。

“日晷時”與“平時”的時差曲線有一種畫法，即著名的“安娜列瑪曲線圖”。它根據(jù)一年中太陽每天的不同位置軌跡用循環(huán)封閉的曲線構(gòu)成一個近似“8”字的圖形，再把這個圖形放進一個“平時”與太陽赤緯構(gòu)成的坐標系內(nèi)，“日晷時”與“平時”的時差一目了然。

太陽赤緯為太陽直射地球的緯度值，值域為±23° 26′，即陽光直射在南北回歸線之間的角度。從安娜列瑪曲線圖還可以看到，太陽（對地球上的固定觀測點而言）不是一個準時的家伙。它在一年當中只有4天是準時“出勤”的，其余日子不是早到就是遲到，最多時與“正點”相差十五六分鐘。當然，不準時的不是太陽，而是地球。

把安娜列瑪曲線圖復制在日晷晷面上可以非常直觀地讀取修正后的時間（“平時”），因此在日晷設計中經(jīng)?？梢?。

此外，我們現(xiàn)在日常生活中使用的標準時，是根據(jù)所在時區(qū)的單一經(jīng)度人為規(guī)定的，特別是還有跨越若干時區(qū)均使用一個標準時的情況。如中國，統(tǒng)一使用東八時區(qū)（東經(jīng)120°）時間，即“北京時間”。不過，包括北京市在內(nèi)的大部分地區(qū)并不正好位于東經(jīng)120°這條經(jīng)線上。因此，“平時”與標準時之間還存在著一定的經(jīng)度時間差。由于每個時區(qū)相差15°，時間相差1小時，因此，經(jīng)度相差1°，時間相差4分鐘。計算公式為經(jīng)度差=（當?shù)亟?jīng)度——時區(qū)經(jīng)度）×4（分鐘）。最后，使用日晷通過下列公式便能夠得到準確的標準時：標準時=日晷時——時差——經(jīng)度差。

形態(tài)各異的日晷

日晷計時的基本原理比較簡單，但計時的具體方法多種多樣，這就使得日晷的類型、款式也是多種多樣。對日晷進行分類命名，有助于我們更好地認識、學習、掌握、普及日晷的知識，傳承這份遺產(chǎn)。

在這里，筆者試著以自己的研究心得，參考一些現(xiàn)有的、合理的日晷的名稱，對各種日晷重新進行統(tǒng)一的歸納、劃分、命名，匯成一套盡可能全面、合理的日晷分類，以便與眾多的日晷愛好者分享，或者還可收獲拋磚引玉的驚喜。

日晷，特別是近現(xiàn)代出現(xiàn)的日晷，雖五花八門、形態(tài)各異，但萬變不離其宗。所有日晷都必須具備一個接受日光或日影的晷面（不一定表現(xiàn)為晷盤），因此，首先根據(jù)晷面的形態(tài)這一共有的但又有明顯區(qū)別的特征，將日晷劃分為5個大類，即平面、立面、斜面、異面和映面日晷。其次，根據(jù)晷面所在的平面與地球的關系將3類常見的日晷（平面、立面、斜面）劃分為7式（類型），將異面日晷根據(jù)其自身的形態(tài)劃分為3式，將映面日晷歸為1式。概括起來就是“5類11式”。

如果按照功能劃分，日晷可以分成節(jié)氣日晷（如圭表）和計時日晷。英文通常統(tǒng)稱為Sundial，亦有稱計時日晷為Sun clock。

本文著重介紹計時日晷中最常見的3類日晷，即平面、立面和斜面日晷。這3類日晷的共性是晷面大都是平直的（或原本是平直的），區(qū)別在于其設置方法，即晷面與地（水）平面、地球子午面、卯酉面或地軸的關系。

1.平面日晷——地平式

平面日晷的晷面平行于水平面。平面日晷只有地平式日晷一式。根據(jù)晷針與晷面的關系，地平式日晷分為立針和斜針兩種。兩種地平式日晷時刻線均為不均勻分布，左右對稱，設計參數(shù)（即時刻線分布的角度）一般只能適用于同一緯度地區(qū)。

地平式立針日晷是人類最早發(fā)明和使用的日晷類型，其他類型的日晷多數(shù)可以看作是在地平式立針日晷的基礎上衍化而來的。地平式斜針日晷的晷針斜置，與晷面的夾角等于當?shù)鼐暥?，針端指向北天極（相當于晷針與地軸平行）。

2.立面日晷——子午式

立面日晷的晷面垂直于水平面，并與地球子午面（經(jīng)線平面）平行，因而構(gòu)成面東、面西兩個立面，分別用于測定上午和下午的時間。晷針垂直于晷面，用針影的長度來指示時刻，斜度指示節(jié)氣。在實際應用中，子午式日晷可以是一個獨立的晷面立于水平面（合面），顯示為東西兩面，也可以將晷面分別安裝于建筑物面東、面西的墻壁上，各顯示一面（分面）。其缺點是，正午時由于陽光直射立面?zhèn)冗?，晷針無影，12點前后的時刻很難表現(xiàn)。

3.立面日晷——卯酉式

晷面為單面，朝南（南半球朝北），垂直于水平面，并與地球卯酉面（緯線平面）平行。

根據(jù)晷針的走向，卯酉式日晷又分為平針和斜針兩種。前者晷針平行于水平面，垂直于晷面，時刻線不交匯于針孔；后者晷針平行于地軸（與晷面的夾角等于當?shù)鼐暥鹊挠嘟牵瑫r刻線交匯于針孔。兩種日晷的時刻線均為不均勻分布，但左右對稱，并均可設計左右對稱的節(jié)氣線，用針影的斜度指示時刻，用針影的長度指示節(jié)氣。卯酉式日晷的缺點是“下午無影”，即（北半球）從春分到秋分這半年里，下午的陽光照不到面南的晷面，轉(zhuǎn)到北面去了，可能還要為此增設一個面北的晷面。

9.異面日晷——錐面式

晷面為錐體的表面，晷針一般置于錐頂，時刻線、節(jié)氣線要根據(jù)晷針的位置、走向來確定。分為圓錐和方錐兩種。

10.異面日晷——柱面式

晷面為圓柱體的表面，分為外圓柱面和內(nèi)圓柱面兩種。時刻線、節(jié)氣線設計方法較為復雜。

11.映面日晷——投射式

映面日晷即投射式日晷，它利用日光直接或間接投射在特定的映面上來標示時間，分為透射（直射）和折射兩種。透射日晷是日晷類型中比較“另類”的一種，它不像大多數(shù)日晷那樣用晷針的影子來標示時間。嚴格地說，它既沒有晷針，也沒有晷盤，而僅僅是設置了一個透射面，直接用透過透射面、映照在物體上的日光本身來標示時間。當然也可以這樣理解，它是利用透射面上的遮擋物形成的陰影，擋住了不需要透過的光。