节气科普丨夏至时节，古人如何学会“追踪”太阳直射点？
“二十四节气”是中华民族农耕文明的产物，也是我国宝贵的非物质文化遗产，千百年来在指导中国人的生产生活实践方面发挥了巨大作用。即日起，科普中国联合中国气象学会推出“节气科普”系列原创内容，带您尽揽华夏智慧之美。
夏至，于对北半球特定地点而言，是正午太阳高度最高、全年白昼最长而黑夜最短的一天，宛如盛夏奏响的激昂序曲，宣告着一年中最热烈时节的到来。其实，太阳直射点的移动及其对地球产生的深远影响，早在远古时期就已进入古人的视野。今天，我们就一起聊一聊古人观测太阳的古老话题。
陶寺观象台：缝隙中观测太阳光影
早在4000多年前的陶寺，先民们就用独特的方式尝试与时空进行对话。位于山西省襄汾县的陶寺遗址上，坐落着一排13根直立的夯土柱，构成半径10.5米的半圆形观测台基，柱间形成12道宽0.2至0.5米的观测缝，这是中国迄今最早的“问天”和探索宇宙的天文设施，也是我国传统二十四节气的主要源头。
陶寺遗址原址处复原重构的“古观象台”。
图片来源：央视一套《开讲啦》
站在观测点上，当时的天文官可以通过缝隙观测到塔儿山山脊，通过日出在不同柱子缝隙中出现的位置，便能大致判断出节令。例如今天，便可以观测到日出出现在东12号缝上。
周公测景台：立竿无影的“地中”之证
相传，周公旦辅佐周成王时，为了“辨方正位”“天下之中”，于西周初年（约公元前1037年）在河南登封建筑土圭，通过测量日影来确定时间和节气。测景台由石圭（带刻度的水平尺）、石表（柱体）、石顶（冠球）三部分组成。
夏至正午，阳光如金色的丝线洒下，石表投影缩至最短。周公使用圭表法进行天文测量，确定地中位置。这在《周礼·地官·大司徒》中有明确记载：“以土圭之法，测土深，正日景，以求地中。”这段话的意思是，在夏至日的正午时分，用八尺圭表测量影长，当影长恰好为一尺五寸时，便是地中的位置。此时表顶石球的投影边缘恰好与石圭底座上的特定位置重合，营造出石表“无影”的奇妙视觉效果，古人将其视为“地中”确证。这就是被广为流传的“立竿无影”。
东汉铜圭表：折叠间的科学精妙
1965年，考古人员们在江苏仪征的一座东汉墓中发现了一件“便携式”折叠铜圭表（现藏南京博物院）。
铜圭表 南京博物院藏
图片来源：南京博物院官方微信公众号
“昼参日影，夜观极星，以正朝夕。”圭表是中国度量日影长度的一种天文仪器，由“圭”和“表”两个部件组成。垂直于地面的直杆叫“表”，水平放置于地面上刻有刻度以测量影长的标尺叫“圭”。正午阳光照射之下，“表”的影子投射在“圭”上，根据影子的方向和长短，就能读出季节和时间。早在公元前20世纪，我国中原地区就已经熟练应用圭表测影法。而这件铜圭表大小约为天文观测圭表的十分之一，表与圭通过枢轴巧妙连接，可以随时启合，利用日影长短变化判断方向、距离、时间等，可能用于道教炼丹计时。这种设计使得圭表成为便携式的测影仪器，展现了古人的精湛技艺。
登封郭守敬观星台：中国元代天文观测中心
在河南省登封县城东南约15公里的告成镇，耸立着一座高大宏伟的建筑物，为元代天文学家郭守敬创建，不仅是中国现存最古老的天文台，还是世界上现存最早用于观测天象的建筑之一。
值得一提的是，上文提到的周公观景台，也坐落于此地，位于其南侧。
图片来源：新华社（李安 摄）
郭守敬的观星台与周公测景台原理相通，不仅可以地观日影，也可登高凭栏，追日月星辰。40尺高表，打破传统8尺表高限制，将日影变化放大5倍，显著提升精度。石圭（俗称“量天尺”），沿子午线铺设，圭面刻双股水道校验水平。明并使用带孔铜片（景符）利用小孔成像原理锐化表影边缘，使影长测量精度达±2毫米（此前误差超1厘米）。通过夏至影长等数据，他测定的回归年长度值（365.2425日）与约300年后欧洲格里高利历所采用的数值相同。以影长极值定冬至、夏至，等分点定春分、秋分，最终划分二十四节气。
此台将砖石结构与光学、几何学熔铸为“凝固的观测仪”，以毫米级精度改写人类天文史。
结语
现代科学认为，太阳能是驱动地球气候系统和绝大多数生命过程的主要能量来源，而太阳直射点移动导致的正午太阳高度和昼夜长短变化，意味着季节和气候的更替，这一切又与各类生物的生长繁衍密切相关。如今看来，许多古代观测技术的精妙细节和极高精度的实现方式，至今仍令现代人惊叹，部分细节仍待深入研究。
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