四季與曆法

我們知道一年有四個季節:春季、夏季、秋季、冬季。你知道為什麼嗎?

很多人以為這是因為地球繞太陽的軌道是楕圓形的,因此地球有時離太陽近一些,就是夏季;有時離太陽遠一些,就是冬季。然而,這個理論有著致命性的缺陷。如果季節成因真與地日距離有關,那麼無論身處地球上哪裡,季節都應該是一樣的。可是,事實上南北半球的季節卻是相反的。當北半球是夏天,南半球就是冬天,反之亦然。

(北半球霸權:事實上,當地球位於軌道上最接近太陽的位置,即「近日點」時,北半球正是冬季啊)

哪麼,究竟為什麼一年有四季?原來這是由於地球的自轉軸是傾斜的,而自轉軸傾斜的方向在一年中都不變。對於生活在北半球的人,在夏天時太陽以較高的角度直射地面,因此就比較熱;而在冬天,太陽照射角度比較接近地平線,地面吸收的熱能就比較少,所以就較寒冷了。

一年四季中有許多節日,但大部分其實都與文化有關,跟天文學沒有什麼關係。之不過,你又知道原來有幾個特別日子,在天文學中有著重要意義嗎?

每年3月20或者21號叫做「春分」,在這一天,無論我們身處地球哪裡,太陽的日照時間都剛剛好是12個小時。耐在春分之後的北半球,每一天的日照時間都比12個小時更長,而且越來越長,直到6月20或21號,叫做「夏至」的這一天。這天是北半球日照最長的一天,而相反地在南半球則是日照時間最短的一天。在夏至之後,北半球的每一天會越來越短,南半球則越來越長。

然後是9月22或23號,稱為「秋分」的一天。這天是春分的相反,在這一天,無論我們身處地球哪裡,太陽的日照時間都剛剛好是12個小時,而秋分之後日照時間都比12個小時更短,而且越來越短。最後就是「冬至」,在每年的12月21或22號。冬至可說是夏至的相反,在這天是北半球日照最短、南半球則是日照時間最長的一天。在冬至之後,北半球的每一天會越來越長,南半球則會越來越短。

在農曆中,這四天就是所謂的「四時八節」中的「四時」,是廿四節氣中最重要的四個節氣。在西曆中,這四個日子亦由於其天文學上的重要性,同樣被特別稱之為equinox(分)和solstice(至):春分vernal equinox、夏至summer solstice、秋分autumnal equinox、冬至winter solstice,而節氣則稱為solar term。

有趣的是,春分、秋分、夏至、冬至在農曆和西曆中都是重要的節日,但在農曆中它們並不會每年出現在固定的日期,而在西曆之中它們卻固定在上述日子。這跟兩種曆法分別如何處理月份有關。

我們常說的西曆,其實叫做格里曆(Gregorian calendar),是世界通用的曆法。格里曆是一種陽曆(solar calendar)。陽曆的意思是,太陽在一年中相對背景星空的位置(黃道)在曆法中的日期是固定的。換句話說,由一個節氣到下年同一節氣之間的日子排列方式是固定的。這就是為什麼格里曆對於閏年的處理很簡單,而且新年都必定在同一天,因為每天都會對應於太陽在黃道的某個位置。亦因此,春分、秋分、夏至、冬至的日期不會相差多於一天。

至於農曆,很多人以為是陰曆(lunar calendar),但其實它並不是陰曆。陰者,太陰也,即月球。陰曆就是根據月球的月相而製成的曆法,例如伊斯蘭曆就是陰曆的一種。月相是太陽、月球、地球之間的相對位置造成的,但由於月球環繞地球運動(陰曆的根據)與地球環繞太陽運動(陽曆的根據)並無關係,因此陰曆裡的四季更替並不是固定在某幾個月的。

農曆其實是一種陰陽曆(lunisolar calendar)。故名思義,它結合了陰曆和陽曆,同時考慮到地日互動和地月互動對曆法的影響。因此農曆新年在陽曆中的日期雖然會浮動,但最多浮動約一個月的時間,不會發生陰曆新年日期浮動整整半年的效應。廿四節氣(包括春分、秋分、夏至、冬至)在農曆中的日期亦會浮動,因為節氣是根據太陽在黃道的位置(即地球繞太陽運行的位置)來決定的,而農曆月份的時間長度則是依據月相來決定的。因此,農曆的置閏方法十分特別,即我們可能聽過的「19年7閏」和「5年3閏」規則,而且是置閏月而非閏日。關於農曆置閏的詳細規則,請參考延伸閱讀文章。

日常使用的曆法其實藏著很多有趣的天文知識,以後有時間再慢慢與大家討論。

封面圖片:Sandro Botticelli 15世紀畫作Hl. Augustinus in betrachtendem Gebet, Detail

延伸閱讀:

略談農曆曆法,以及置閏的規則》——Curtis Lai

By David Yu

David Yu is the father of Simba and an Astrophysicist. He obtained his PhD in Astrophysics from the Max Planck Institute of Extraterrestrial Physics, Germany. He was formerly a postdoc at the KTH Royal Institute of Technology, Sweden, and is currently a lecturer at the University of Hong Kong. He served as the host of the RTHK TV31 programme Science Night, the Depute Editor-in-Chief of the Taiwanese Science Magazine Physics Bimonthly, and the Science Consultant of Stand News. The books he authored include Dr David’s 21 Mysteries of The Universe (2021), Space – A Down-to-Earth Astrophysicist (2021), Time – A Spacetime Journey of Astronomy and Physics (2019), and Secrets from the Stars (2017).

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