子午線

子午線

子午線也稱經線,和緯線一樣是人類為度量方便而假設出來的輔助線,定義為地球表面連線南北兩極的大圓線上的半圓弧。任兩根經線的長度相等,相交于南北兩極點。每一根經線都有其相對應的數值,稱為經度,指示東西位置。

  • 中文名稱
    子午線
  • 性 質
    輔助線
  • 功 能
    指示東西位置
  • 形 狀
    半圓弧

製定

子午線也叫經線,是在地面上連線兩極的線,表示南北方向。經線和垂直于它的緯線構成地球上的坐標既經緯網。地球上任何一個地方的位置都可以用一條經線和緯線的交叉點來表示。所有的經線長度都相等。科學家把開始計算經度的一條經線「0度經線」叫做本初子午線,1884年的10月1日,在美國的華盛頓召開了國際會議。10月23日,大會通過一項決議向全世界各國政府正式建議,採用經過英國倫敦格林尼治天文台子午儀中心的,作為計算經度起點的本初。從0°經線算起,向東劃分0°~180°,為東經度 ,向西劃分0°~180°.為西經度,1953年,格林尼治天文台遷移到東經0°20′25″的地方,但全球經度仍然以原址為零點計算。 在英國倫敦有一條本初,0度。 本初又稱"首"或"零"也就是0°經線,是地球上計算經度的起算經線。本初製定和使用是經過變化而來的。本初從本初起 ,分別向東和向西計量地理經度,從0度 到 180度。1884年在華盛頓舉行的國際會議決定,採用通過英國倫敦格林尼治皇家天文台(舊址)埃裏中星儀作為時間和經度計量的標準參考,稱為本初。1957年後格林尼治天文台遷移台址,國際時間局利用若幹天文台在赤道上定義了平均天文台經度原點,它由這些天文台的經度採用值和測時資料歸算而得。1968年起把通過國際慣用原點和平均天文台經度原點的作為本初。本初是地球上的零度經線,它是為了確定地球經度和全球時刻而採用的標準參考,它不像緯線有自然起點--赤道。

子午線子午線

19世紀以前,許多國家採用通過大西洋加那利群島耶羅島的。那條相當于今天的西經17°39′46〃經線。19世紀上半葉,很多國家又以通過本國主要天文台的為本初。這樣一來,在世界上就同時存在幾條本初,給後來的航海及大地測量帶來了諸多不便。于是1884年10月13日,,在華盛頓召開的國際天文學家代表會議決定,以經過英國倫敦東南格林尼治的經線為本初,作為計算地理的起點和世界標準"時區"的起點。

後來這一天便定為國際標準時間日。經度值自本初開始,分別向東、西計量,各自0°-180°或各自0-12時。本初以東為東經,以西為西經,全球經度測量均以本初與赤道的交點E點作為經度原點。1957年後,格林尼治天文台遷移台址,國際上改用若幹個長期穩定性好的天文台來保持經度原點,由這些天文台原來的經度採用值反求各自的經度原點。再由這些經度原點的平均值和E點的差值來決定和保持作為全球經度原點的有點。

歷史淵源

世界上最早計運算元午線長度的人是古希臘天文學家埃拉托斯特尼(公元前276年出生),他製造了skaphe天文儀器,知道在夏至日正午時分從北回歸線上看,太陽正好在天頂的位置;阿斯旺其實是在回歸線稍北。他推斷出亞歷山大港到阿斯旺的距離一定是整個地球圓周的7/360 。從商隊那裏可以知道兩個城市間的實際距離大概是5000stadia. 他最終確立了700 stadia為一度。他算出來的數值為252000斯塔蒂亞(stadia)。斯塔蒂亞乃是古希臘的長度單位,其長度各地不一。如按雅典的長度算,1斯塔蒂亞等于185米,則地球周長為46620公裏,多了16.3%,若按埃及的長度算,1斯塔蒂亞等于157.5米,則地球周長為39690公裏,其誤差小于2%。

漢代以來,中國古代天文學家也知道越往南日影長度越短,越往北日影長度越長;但中國沒有形成明確的大地是球形的觀念,也沒有實際測量日影長短差與距離的準確比例,隻是在大地是平面的假設前提下推得一個結論:南北相距千裏,日影長度相差一寸。在隋代大業初年(約604-607),天文學家劉焯(544-608)就對這一結論表示懷疑,他提議:"請一水工(進行水準測量的工人),並解算術之士,取河(黃河)南北平地之所,可量數百裏。南北使正,平地以繩。則天地無所匿其形,辰象無所逃其數。"大業三年(607),隋煬帝下令各地測影,惜因劉焯逝世而未果。100多年之後,天文大地實測工作的重大使命就落到了唐代開元年間的天文學家僧一行的身上。 僧一行(683-727),俗名張遂,魏州昌樂(河南南樂縣)人,自幼刻苦好學,博覽群書,因追求真理、逃避權勢武三思的糾纏而赴嵩山削發為僧,人稱僧一行。他于開元五年(717)到京城長安,任唐玄宗的天文顧問。此後他推廣了大衍歷,推廣了劉焯的"關于太陽運行不等速"內插法公式,並和梁令瓚共同製成渾天銅儀和黃道遊儀等。他使用許多新創製的天文儀器,重新測定了150多顆恆星的位置,並多次測量了二十八宿距天球北極的度數,發現前人測定的不少資料不準確。他根據自己觀測的結果,推斷恆星本身在天球的位置是不斷變動的,從而成為世界上第一個研究恆星運動的天文學家,比英國天文學家哈雷(Edmund Halley,1656-1742)發現恆星運動早一千多年。

子午線子午線

由于按原來的歷法預報日食發生了較大誤差,唐玄宗下令製定更完善的歷法。僧一行決心以實地測量糾正原來歷法的錯訛之處,于開元十二年(724)發起並主持了歷史上第一次天文大地測量工作。他選擇的測量點南起林邑(位于今越南中部,約為北緯18度)、北到鐵勒(今屬蒙古,北緯51度),遍及安南都護府(位于今越南)、朗州武陵縣(今湖南常德)、襄州(今湖北襄樊)、蔡州上蔡武津館(今河南汝南)、許州扶溝(今河南扶溝)、汴州浚儀太岳台(今河南浚縣)、滑州白馬(今河南滑縣)、太原府(今山西太原)、蔚州橫野軍(今河北蔚縣)、陽城(今河南登封告城鎮)、洛陽(今河南洛陽)等地。其中以南宮說等人在白馬、浚儀、扶溝、武津一帶南北四五百裏的平坦地面上的測量效果最佳。他們觀測了夏至、冬至和春分、秋分時的日影長度差(晷差),並實地測量距離,又測出這四點的北極星高(緯度),這樣就算出北極星高度相差一度,相當于緯度相差一度時,地面上南北距離的差值。僧一行的測量結果是351裏80步,折合129.22公裏,比今值多了18.02公裏多(今值是111.2公裏)。僧一行的實地測量推翻了"王畿千裏,日影一寸"的錯誤觀念。測量結果相當于獲得了子午線一度弧的長度,這次測量意義特別重大,被李約瑟認為是科學史上的創舉。

僧一行畫像僧一行畫像

發展簡史

世界上最早準確計算出子午線長度的人:希臘學者埃拉托斯特尼。

1871年第一屆國際地理學會在比利時安特衛普召開,會議作出決議:"各國的海圖要統一採用格林尼治子午線為零度經線,並在15年內付諸實施"。

1883年10月在羅馬召開第7屆國際大地測量會議,會議決議:"本初子午線必須是通過一級天文台的子午線,考慮到有90%的從事海外貿易的航海者已經以格林尼治子午線為基準來計算船的位置(經度)這一實際情況,各國政府應採用格林尼治子午線作為本初子午線"。關于時間問題,會議認為:在國際交往中應採用統一的世界時,這將會帶來很大的方便。

1881年10月1日,國際子午線會議在美國華盛頓召開。最後大會通過了七個決議案,其中:

決議案之二:出席會議的各國政府應採用通過格林尼治天文台子午環中心的子午線作為本初子午線。

決議案之四:提倡採用世界時,根據需要也可以使用地方時標準時

決議案之五:世界日以本初子午線的零時為起點,民用日也從子夜零時開始。

至此,本初子午線、世界時等最終得以確立,並得到大多數國家的承認。

1968年,以國際協定原點(CIO)作為地極原點,把通過國際協定原點和平均天文台經度原點的子午線稱為"本初子午線"。各種新技術確定的地球坐標系的經度零點都盡量與本初子午線一致,但往往有不到1〃的零點差別。

實測依據

約公元前240年,古希臘科學家埃拉托斯特尼根據亞歷山大港與syene(現在埃及的阿斯旺)之間不同的正午時分的太陽高線及三角學計算出地球的直徑。當然,他的這種計算是基於太陽足夠遠而將其光線看成平行光的假設為根據的。他知道在夏至日正午時分從北回歸線上看,太陽正好在天頂的位置;阿斯旺其實是在回歸線稍北。他還測量出在他的家鄉亞歷山大港,這個時候太陽應該在天頂以南7°。這個角度是7/360 個整園。假設亞歷山大港在阿斯旺的正北-實際上亞歷山大港在阿斯旺偏西一個經度-他推斷出亞歷山大港到阿斯旺的距離一定是整個地球圓周的7/360 。對他用的是哪種量度製,專家們至今尚有爭議。

埃拉托斯特尼的測量方法埃拉托斯特尼的測量方法

從漢代以來,我國的天文學家就認為"南北地隔千裏,影差長一寸"(日影一寸,地差千裏),也即是說,在同一經線上的南北兩個地方,在夏至這一天的中午,測得的日影長度相差一寸,兩地就相距一千裏遠。經線是子午線。上述關于子午線長度的結論是正確的嗎?南朝的天文學家何承天開始對此產生懷疑。到隋朝初年,天文學家劉焯向煬帝建議,國家組織包括水準測量和數學家在內的幾方面的科學力量,協同進行一次大規模的大地天文測量。具體內容是在黃河南北的平原地區,于二至(夏至、冬至)、二分(春分、秋分)時,以準確的方位、時間和水準,同時在各個觀測點測量日影長度,驗證日影長度和地理緯度之間的定量關系。但是這一建議未能實現。 開元十二年(724年),從編製新歷法的需要,在一行的倡議下,唐王朝開始進行空前規模的大地天文測量。在全國範圍內設了13個測量點,使用的儀器、實施的方法、測量的內容,都在一行領導下統一進行審定。在各個測點,除了用傳統的圭表測量兩至、兩分的正午日影長度,和各地的漏刻分差以外,還測量了各點的北天極(北極)的高度(當時的地理緯度)。測量北極高度使用的儀器,運用的原理、方法,均為一行首創。一行研製了"復矩",隻要用直角尺的一邊指向北極,另一條邊與懸于直角頂點的鉛錘懸線間形成的夾角角度,就是北極的地平高度。整個測量工作于第二年完成。

子午線子午線

在這次測量中,以天文學家、太史監南宮說(音悅)率領的測量隊最為重要。南宮說在黃河兩岸的白馬(今河南滑縣)、浚儀(今河南開封市西北)、扶溝(今河南扶溝縣)、上蔡(今河南上蔡縣)設了四個觀測點。一行從南宮說等人測量的大量資料中,通過計算,得出了結果:北極高度相差1度,南北距離就相差351裏80步。這就是子午線1度的長度。唐開元時,5尺為1步,300步為1裏,1尺為24.56釐米。351裏80步折合今製為131.3公裏;現代科技算出的子午線1度為111.2公裏。二者相比,誤差為20公裏。但是這是世界上第一次測量子午線的記錄,有極其寶貴的科學價值。因為測量子午線的長度,對測知地球大小有很大關系。經過此次測量,證明"日影一寸,地差千裏"的說法是不正確的。

從這次測量中,一行還引出了一個光輝的科學思想:即在很小的、有限的空間探索出來的正確科學理論,如果不加分析地、任意向很大的、甚至無限的空間去推廣,那就會導出荒謬的結論。

這次測量中,一行還算出南宮說的四個觀測點黃道、赤道交角的平均值為23°40′23″(折現製),現代科技測出的為23°36′、19″.098,二者很接近。此外,還驗證了冬至的日影差和夏至的日影差,本來就不相同;各地的晝夜長短,也不相同。

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