时间与经度的计算(经度的故事与时间法则)

时间与经度的计算(经度的故事与时间法则)(1)

“地球是圆的”,这听起来像一句废话。谁不知道呢!

然而在古代,绝大多数地球人并不知道这一点。譬如中国古人就长期认为“天圆地方”。

但也有例外。早在两千多年前,古希腊人就知道地球是圆的。有一位名叫埃拉托色尼的学者,还测算出了地球的周长,精确度超过99%。

古希腊人为什么很早就知道“地球是圆的”呢?

因为古希腊人居住在地中海周边,长年进行航海贸易。岸边的人发现:归来的船总是先看到桅杆顶部,再逐渐看到船帆、船身。而且,航海要辨别方位,需要长期观测日月星辰的位置变化。这促进了古希腊天文学的早熟。

时间与经度的计算(经度的故事与时间法则)(2)

“地圆学说”影响深远。15世纪的哥伦布正是因为相信“地球是圆的”,才相信一直向西航行,也可以到达东方的印度;从而开启了地理大发现。

对古代航海来说,定位攸关生死。因为在浩瀚无边的海面上,没有地标,也很难找到参照物。唯一可行的方法就是白天看太阳,夜晚看星座,通过观测天体的位移来推算船的定位。

如果能同时确认南北方向的纬度和东西方向的经度,该地点就有了准确的定位。于是,历代航海家尝试用各种方法来确认经纬度。

古希腊人很早就提出了纬线的概念,并掌握了计算纬度的方法。

他们观测到:太阳光线与地平线形成一个夹角,也就是太阳高度角;向南或向北移动,这个夹角会变大或变小,物体在阳光下的影子会相应变化。

在南北方向选取两个观测点,通过物体影长测算出两地太阳高度角的差值,再结合两地的直线距离,就可以推算出地球的周长。埃拉托色尼就是采用类似方法,算出了地球周长。原理并不复杂。

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埃拉托色尼测量方法示意

后来,人们总结出太阳高度角与纬度之间的计算公式(即: α = 90° -[β - γ ],其中α为正午太阳高度角,β为观察者所处的纬度,γ为太阳直射点的纬度)。

纬度划分比较简单:从赤道到南北两极,纬度各占90度;从南极到北极构成一个180度的半圆,刚好是地球圆周的一半。

我们根据已知的地球周长(大约4万公里),便可以算出:每移动一个纬度,南北相差111公里。反过来,根据南北距离或者太阳高度角的变化,也可以算出两地纬度的差值。

纬度的问题很早就解决了,但经度测量却是个难题。为什么?

因为在东西航线上,看到太阳升起的时间不一样。越往东,看到太阳越早。越往西,看到太阳越晚。

如果海船顺着太阳的运动方向往西走,那么在船上看来,太阳运行就要慢一些。如果是自西向东,太阳相对船的运行就要快一些。

这种情况下,太阳作为“自然时钟”就失灵了。你根本算不清船在海上走了多长时间,跨过了几个经度。

如何来解决这个难题呢?

首先要确定一条起始经线。英国人就想把穿越伦敦的经线作为0度经线。地球一周是360度,每天自转一周,而一天是24小时,那么,每小时就对应15度的经度差。

假设有一艘海船,早上6点从伦敦出发,向西航行8小时到达了大西洋的某个小岛。这时候,小岛上正是太阳当空的中午12点。船长心里一算:6点出发,又航行了8小时,此刻伦敦时间已经是中午14点了,小岛的时间比伦敦晚了两小时。那么该小岛的经度就应该是西经30度。

用这种方法,可以算出航路上任何地点与伦敦的经度差。这样,各地的经度不就确定了吗?

但是,如果船长随身携带的钟表走时不准,那么船长就会糊涂了,他不可能算出小岛的经度。

问题恰恰出在钟表上。

在18世纪以前,世界上只发明了摆钟。摆钟在海浪颠簸与气温变化中,根本走不准确,无法用来测算经度。于是乎,发明新式航海钟,成为了当时英国的头等攻关课题。

为此,英国专门成立了经度局,并悬赏两万英镑鼓励发明。终于在1759年,一位英国钟表匠约翰.哈里森发明了可靠的航海钟,这才解决了经度的测算问题。

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约翰.哈里森发明的航海钟

此后,国际经度就采用了英国的标准。原因有两个:第一是因为英国人首创发明了新式航海钟;第二是因为英国从18世纪到20世纪初,在全球扩张殖民地,成为“日不落帝国”,实力最强。

事实上,很多通用标准的制定者,要么是技术首创者,要么是实力最强者。这大概也是一个规律。

现在的地球经度是这样规定的:

将穿越伦敦格林尼治天文台旧址的那根经线定为0度经线,也叫“本初子午线”。从0度经线开始,向东依次标明了东经15度、30度、45度……直到东经180度,向西也是一样,从西经15度直到西经180度。东西经180度重合为一条经线。

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格林尼治天文台的本初子午线

经线有无数条,为什么要突出15度的倍数呢?

我们前面讲过,地球每天(24小时)自转一周(360度),相当于每旋转15度要经过1小时。反过来说,经线每隔15度就相当于1小时的时间差。

时区是这样规定的:

0度经线两侧各7.5度的范围为0时区,东经15度线左右各7.5度内为东一时区,东经30度线左右各7.5度为东二时区。同样,西经15度线左右各7.5度为西一区。

以此类推,0时区东西两侧各有十二个时区,每跨一个时区就相差1小时。每个时区中央经线上的时间,就是这个时区内统一采用的时间。

只有一个时区比较特殊,就是东西经180度所在的时区。

因为东经180度与西经180度重合,因此规定:180度以西7.5度为东12区,180度以东7.5度为西12区。

东西十二区中间是“国际日期变更线”,基本与东西经180度重合。为了让180度经线穿过的少数陆地保持日期一致,“国际日期变更线”有几处折线。

北京的经度是东经116度,所以是“东八区”。我们中国以北京时间为标准时,也就是统一采用东八区的地方时。但美国、俄罗斯不是这样,他们使用多个时区的时间。

这又是什么原因呢?我们下期再聊。

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