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觀天習文 | 古代天文儀器那些事·仰儀篇

作者:陳濤時間:2021-04-10 20:45瀏覽次數:

   2020年6月21日,一場“日環食”穿過我國境內,被網友們評為2020年最有趣的天文現象。那一枚在天空中閃著金光的“指環”在眾多觀眾心裡留下了深刻印象。回望歷史,古人又是如何觀日的呢?

日環食

我們的古人是如何逐漸學會在不傷害眼睛的情況下觀測太陽的呢?

漢代時人們已經學會用水盆照映的辦法,日食時觀察水中映出的太陽影像,從而避免了眼睛直接接觸陽光而被灼傷的問題。後來,人們用油代替水,進一步減少了日光的刺激。13世紀,元代天文學家郭守敬發明瞭一種叫仰儀的半球形儀器,裡面有刻度,可以比較準確地測定各個食相的時刻,並估計出食分。(對於日食而言,食分並不表示太陽圓面被遮掩的面積,而是表示日面直徑的被遮部分與太陽直徑的比值。以太陽的直徑作為1,如果食分為0.5,這就表示太陽的直徑被遮去了一半;如果食分為1,就是太陽的整個圓面被遮住,那就是日全食。)

我們的古人是如何逐漸學會在不傷害眼睛的情況下觀測太陽的呢?

漢代時人們已經學會用水盆照映的辦法,日食時觀察水中映出的太陽影像,從而避免了眼睛直接接觸陽光而被灼傷的問題。後來,人們用油代替水,進一步減少了日光的刺激。13世紀,元代天文學家郭守敬發明瞭一種叫仰儀的半球形儀器,裡面有刻度,可以比較準確地測定各個食相的時刻,並估計出食分。(對於日食而言,食分並不表示太陽圓面被遮掩的面積,而是表示日面直徑的被遮部分與太陽直徑的比值。以太陽的直徑作為1,如果食分為0.5,這就表示太陽的直徑被遮去了一半;如果食分為1,就是太陽的整個圓面被遮住,那就是日全食。)

仰儀形似一口仰放著的大鍋,因而得名。“仰”字在古代有“把覆合著的物體翻過來,使底部朝上。”之義,例如:仰瓦(凹面向上的瓦)


那麼仰儀是如何觀測到日食的呢?

光的直線傳播性質,在我國古代天文曆法中得到了廣泛的應用。我們的祖先製造了圭表和日晷,測量日影的長短和方位,以確定時間、節氣;在天文儀器上安裝窺管,以觀察天象,測量恆星的位置。而仰儀也是利用小孔成像原理觀測日食——太陽光通過小孔在凹面上成像。仰儀的直徑為一丈二尺(元代天文尺,非現代度量標準),鍋口有水槽註水後便可察看儀器是否放置水平,水槽邊緣均勻刻有24條線,用來表示方向。儀器的南部固定有兩根呈十字交叉的桿,一直延伸到仰儀的中心,稱為縮竿,南北向縮竿的頂部裝有帶中心小孔的,可旋轉的小方板,稱作璇璣板,小孔的位置正好在凹半球的中心。依據小孔成像原理,太陽光透過中心小孔時,在鍋的內壁上就可以投射出太陽的影像,內壁中縱橫交錯地刻有一些規則網格,是赤道地平坐標網,用來度量天體的位置,這樣觀測者就可以在網格中讀出太陽的位置,利用仰儀清楚地看到日食的全過程。(需要註意的是,由於小孔成像原理,太陽在太空中的位置和投影到仰儀半球面的影像位置相反,所以仰儀半球面的坐標網與天球的坐標網,東西相反,以南極替代北極。)

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由於歷代都有專門的觀測者,因而中國古代留下的日食記錄是很豐富的。根據統計,到清代為止,不算甲骨文,只是史書記載的日食就有1000次以上,這是一份十分寶貴的科學遺產。其中最早的一次發生在大禹三年,在平定三苗之亂時發生日食,由此推算出的年代為公元前1912年,即距今已有3933年。

因為日食計算涉及到太陽和月球的運動,所以,古代不少天文學家利用日食記錄來驗證自己的曆法。上世紀以來,古代日食記錄有了更多的用途。資料顯示,1969年有人利用25次公元2年以前的古日食記錄來計算地球自轉速率的長期變化(逐漸變慢),這25次中有9次是中國的。世界天文學家普遍認為,中國古代日食記錄的可信程度是最好的。

如今,隨著更先進的觀測儀器出現,仰儀早已淡出人們的視線,但在當時那個沒有天文望遠鏡的時代,仰儀當之無愧為觀測日食的“善器”。

其實2021年也有日環食。數據顯示,2021年的日環食將發生在6月10日。此次日環食將經過加拿大、格陵蘭、俄羅斯,日偏食則將覆蓋北美洲北部、歐洲大部分、亞洲中北部及周邊部分地區。在觀測日環食時,一定要註意安全,我們一定要戴上專用觀測鏡或者選擇好合適的濾光片才可以觀測日食。

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  下一期我們將繼續介紹古天文學家郭守敬改良製造的另一項天體觀測裝置——簡儀,看他如何“化繁為簡”,敬請期待。

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