[组图]为什么大约每个四年要在2月份多加一天?闰年是咋来的?
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为什么大约每个四年要在2月份多加一天?闰年是咋来的?

作者:佚名    科普文章来源:互联网    点击数:    更新时间:2019/10/17

儒略历中每隔四年在2月份就会多出一天,也就是2月29日,这一天也被称为闰日,而这一年就是闰年。有关闰日的历史起源和说法都非常有趣,但之所以会有闰日,是因为地日系统的物理机制。

地球自转一周并不是24小时

地球在绕轴旋转的同时也绕着太阳公转。地球的自转导致了日出、日落、月出、月落、科里奥利效应(我们常说的南半球顺时针漩涡和北半球逆时针漩涡)以及夜空中所有星星绕两极旋转。另一方面,公转决定了地球季节的变化,例如:当你所处的半球远离太阳时,就是寒风刺骨的冬天,白天时间最短;当你所处的半球朝向太阳时,就是夏天,白天时间最长。

而且我们还知道,由于地球的自转,一天是24小时,而公转一年是365天(闰年是366天)。那么多出来的这一天到底是怎么来的?其实地球的自转和公转要比我们想象的复杂得多。

上图可以看到地球自转一周不需用24小时,更精确地说是23小时56分4.09秒,地球就能从起始点转一圈然后回到起始点,但是由于地球在绕日轨道上的公转,每天会挪小于的位置,为了时第二天的同一时间太阳还出现在我们头顶,地球就需要多自转额外的角度,因此将24小时定为一天的时间。

如果我们坚持使用23:56:04.09这个数字作为我们的一整天,也没啥大事!就是太阳不会准时的出现在天空中的同一位置,假如今天的太阳在12点准时到了头顶,那么明天的太阳到头顶就会推迟3分56秒,如此下去误差会持续累积,总有一天你看时间的时候,明明应该是晚上了,但太阳还在天空,依然是白天!为了修正地球绕太阳的公转,我们需要额外的3分56秒来正确定位太阳,让太阳准时出现在天空的同一位置。这就是一天24小时的来历,但是一年呢?

天文年和回归年之间的区别

我们认为的一年是地球绕太阳公转一圈的时间,从起始点再回到起始点,这在天文学上确实是地球完成了一次公转,我们称为恒星年或者天文年,但是我们要记住,这不是地球上一年的定义。而是地球在公转轨道上今年的春分点到来年的春分点所经历的时间,我们称为一年,采用的是回归年或者称为太阳年,这是啥意思呢?

我们在地球上会根据季节来标记日历,也就是说从冬至点到来年的冬至点就是一年!在我们北半球的冬至点,地球的北极会最大限度地远离太阳,而太阳此时正在直射南回归线,然后太阳慢慢的向赤道方向移动,等直射赤道的时候,就是我们北半球的春分点,然后太阳一路北上,等直射北回归线的时候就是我们北半球的夏至点,接着太阳又会回到赤道,预示着北半球到了秋分点,等太阳再次直射南回归线的时候,我们北半球又进入了冬至点,这就是一年!这种测量年份的方法,就是回归年

而回归年比天文方法测量的年份也就是地球公转一周的时间要短一点。为什么会这样呢?

地轴的进动导致了回归年比天文年短了约20分钟

因为地球的地轴在持续缓慢的进动,地轴发生变化,那么黄道面也会发生变化,黄道面的变化地球在轨道上的春分点也会发生变化,事实上地球只需绕太阳公转不到360度就能完整度过一个回归年。差别很小,一个回归年是359.986度而不是360度,但这足以使回归年相对于恒星年(天文年)缩短20分钟。这种差异也被称为岁差。地轴进动一周的时间为26000年,因此我们认为的北极星也在发生改变。

为什么会有闰日,格里高利历对闰日的规定

将这三种效应自转、公转和岁差结合起来,我们计算出的回归年的平均长度为365.242193天,如果我们每年有365天,那么每个世纪我们就会少24天将近一个月。如果每隔四年放一个闰年(多一天)会让我们更接近真实的回归年,那么平均一年就有365.25天,还是多出了那么一点点。这种罗马儒略历的方式,我们使用了1600年之久

尽管如此,这种微小的差异还是会累积,到了1582年,我们已经多放加了10天。由于这个原因,1582年的10月5日到10月14日这10天在意大利、波兰、西班牙和葡萄牙从未存在过,其他国家也跳过了10天。

1582年3月1日,罗马教皇格里高利颁发了改历命令,内容是:

一、1582年10月4日后的一天是10月15日,而不是10月5日,但星期序号仍然连续计算:10月4日是星期四,第二天10月15日是星期五。这样,就把从公元325年以来积累的老账一笔勾销了。

二、为避免以后再发生春分飘离的现象,改闰年方法为: 凡公元年数能被4整除的是闰年,但当公元年数后边是带两个“0”的“世纪年”时,必须能被400整除的年才是闰年。

所以2000年是闰年,1900年不是,2100年也不会是,2400年就是闰年。

格里高利历(公历)的采用给我们带来了一年365.2425天的日历。与平均回归年365.242193天的实际数字相比,我们需要3200多年才能误差一天,这种历法已经相当准确了。

但是如果我们从长远来考虑,还会出现一个问题,即地球的自转速度正在改变,在时间足够长,我们对“一天”的定义将会发生改变!现在我们知道有两件事可以改变地球的自转速度。

地球自转的减速,未来我们将不再需要闰日

每次地球发生地震的时候,地球内部的质量都会重新排列,趋向于更加紧密的状态,通过角动量守恒,这意味着地球的自转速度会加快一点。另一方面,在太阳系有两个天体对地球有着巨大的引力效应!

太阳和月球都对地球施加引力,而地球本身在自转。如果地球只是空间中的一个质点,这就无关紧要了;地球会绕着太阳做椭圆轨道,月球会绕着地球这个质心公转,什么也不会改变。但是地球是一个球体,太阳和月亮对离它们较近的地球一侧施加的引力比离它们较远的那一侧要大。

除了会产生潮汐以外,由于地球在自转,会产生一种潮汐制动效应,也就是潮汐摩擦,这将导致地球的自转速度减慢!这种减速虽小,但相当稳定,平均每年14微秒,比地震造成的加速效应要大得多。随着地质年代的推移,这种变化也会持续累积!通过在土壤中留下的潮汐节律,我们就可以计算出地球自转周期的变化。

6.2亿年前的地球,我们发现当时的一天不到22个小时!如果我们把这种潮汐摩擦效应推回到地球最初形成的时期,45亿年前,我们会发现那时的一天只有23,000秒或六个半小时!

地球在持续减速!在18个月左右的时间里,我们会在时钟上增加了1个闰秒。等到大约400万年左右,一天就会延长56秒,这足以让我们不再需要闰年;一年正好有365个地球日!

这就是闰日、闰年的来历,让地球的季节每一年在同一时期保持不变,但我们地球无时无刻都在发生着变化,无论多么微小,我们以后也将不在需要润日,也不再需要2月29号。

 

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