穿越时空的记忆

赵大明

日晷的计时原理

立竿可以测影，测影可知时刻，这就是最简单的日晷计时原理。

要搞清楚日晷为什么能够计量时间，首先需要知道一些必要的天文学知识，其中最重要的是地球与太阳的关系。我们知道，地球在围绕太阳公转的同时，还在以地轴为中心轴不停地自转。公转一周为一年，并产生了四季，自转一周为一天，并产生了昼夜。

由于地球公转的轨道不是正圆形，而是近似椭圆形，受此影响，它在一年中与太阳的距离时长时短，受到太阳的引力有大有小，因此公转的速度不是恒定的。同时，地球自转时地轴与黄道平面（地球公转轨道平面）的夹角不是垂直的90°，而是约66.5°，因此形成黄道平面与赤道平面的夹角（黄赤交角）约23.5°。也就是说，地球是忽远忽近、忽快忽慢的歪着身子绕着太阳公转和自转的。因此，地球与太阳的关系远比我们这里说的更为复杂。

随着地球不停地自转，我们会看到，太阳每天从地平线上升起，阳光透过大气层投射到地球表面，遇到物体遮挡时，便会形成阴影。这个影子在中国古代称作“晷”。

由于地球与太阳的位置关系是相对稳定的，按照一定规律变化的，因此，太阳光投射到地面某个固定物体产生的影子也是有规律变化的。根据影子的位置，即影子与某些固定参照物的角度、距离等，人们便可以判定或标记此时此刻的时间（包括节气和时刻）。这就是日晷计时的基本原理。

日晷的定义

根据日晷的计时原理不难得出这样的定义：日晷——天文学仪器——是利用日光或日光的投影与地面参照物的位置关系来计量时间的工具。

之所以用这样一个似乎过于宽泛的定义，是因为日晷不完全是我们见过的那些样式。换句话说，晷面、晷针等这些通常的配置，并不一定是日晷的标配。实际上，根据日晷的基本原理，一些结构特殊的日晷，比如投射式日晷，可以完全不用晷针和晷盘，但它们仍然符合日晷的计时原理，也应该算作是日晷。再有，中国的圭表、古埃及的影钟等，为什么也应纳入日晷之列？因为圭表完全符合日晷的计时原理和方法，只是计时的单位有所不同；影钟也只是名称不同而已。

日晷时与标准时

日晷是根据太阳与地球上的观测点的位置关系来测定时间的，这个测得的结果一般称作“日晷时”，在天文学上称作“真太阳时”，即观测点当地、当时与太阳的位置关系形成的时间点。太阳两次经过同一地点的时长称作“真太阳日”。由于地球公转速度不等，加之黄赤交角的存在，造成（从地球上看）太阳每天经过地球上的某一点的位置也会有些许不同。因此，“真太阳日”在一年当中的每一天也不是完全等长的。

为了克服日地关系中的这个“瑕疵”，让时间精准地服务于人类社会，人们将所有“真太阳日”的平均值规定为“平太阳日”，即现代人日常生活中使用的“日”，它所包含的时间点称作“平太阳时”，简称“平时”。

“日晷时”与“平时”之间存在着随周年变化的时差。这个时差是有迹可循的，也是可以计算的：平时=日晷时——时差。

“日晷时”与“平时”的时差曲线有一种画法，即著名的“安娜列玛曲线图”。它根据一年中太阳每天的不同位置轨迹用循环封闭的曲线构成一个近似“8”字的图形，再把这个图形放进一个“平时”与太阳赤纬构成的坐标系内，“日晷时”与“平时”的时差一目了然。

太陽赤纬为太阳直射地球的纬度值，值域为±23° 26′，即阳光直射在南北回归线之间的角度。从安娜列玛曲线图还可以看到，太阳（对地球上的固定观测点而言）不是一个准时的家伙。它在一年当中只有4天是准时“出勤”的，其余日子不是早到就是迟到，最多时与“正点”相差十五六分钟。当然，不准时的不是太阳，而是地球。

把安娜列玛曲线图复制在日晷晷面上可以非常直观地读取修正后的时间（“平时”），因此在日晷设计中经常可见。

此外，我们现在日常生活中使用的标准时，是根据所在时区的单一经度人为规定的，特别是还有跨越若干时区均使用一个标准时的情况。如中国，统一使用东八时区（东经120°）时间，即“北京时间”。不过，包括北京市在内的大部分地区并不正好位于东经120°这条经线上。因此，“平时”与标准时之间还存在着一定的经度时间差。由于每个时区相差15°，时间相差1小时，因此，经度相差1°，时间相差4分钟。计算公式为经度差=（当地经度——时区经度）×4（分钟）。最后，使用日晷通过下列公式便能够得到准确的标准时：标准时=日晷时——时差——经度差。

形态各异的日晷

日晷计时的基本原理比较简单，但计时的具体方法多种多样，这就使得日晷的类型、款式也是多种多样。对日晷进行分类命名，有助于我们更好地认识、学习、掌握、普及日晷的知识，传承这份遗产。

在这里，笔者试着以自己的研究心得，参考一些现有的、合理的日晷的名称，对各种日晷重新进行统一的归纳、划分、命名，汇成一套尽可能全面、合理的日晷分类，以便与众多的日晷爱好者分享，或者还可收获抛砖引玉的惊喜。

日晷，特别是近现代出现的日晷，虽五花八门、形态各异，但万变不离其宗。所有日晷都必须具备一个接受日光或日影的晷面（不一定表现为晷盘），因此，首先根据晷面的形态这一共有的但又有明显区别的特征，将日晷划分为5个大类，即平面、立面、斜面、异面和映面日晷。其次，根据晷面所在的平面与地球的关系将3类常见的日晷（平面、立面、斜面）划分为7式（类型），将异面日晷根据其自身的形态划分为3式，将映面日晷归为1式。概括起来就是“5类11式”。

如果按照功能划分，日晷可以分成节气日晷（如圭表）和计时日晷。英文通常统称为Sundial，亦有称计时日晷为Sun clock。

本文着重介绍计时日晷中最常见的3类日晷，即平面、立面和斜面日晷。这3类日晷的共性是晷面大都是平直的（或原本是平直的），区别在于其设置方法，即晷面与地（水）平面、地球子午面、卯酉面或地轴的关系。

1.平面日晷——地平式

平面日晷的晷面平行于水平面。平面日晷只有地平式日晷一式。根据晷针与晷面的关系，地平式日晷分为立针和斜针两种。两种地平式日晷时刻线均为不均匀分布，左右对称，设计参数（即时刻线分布的角度）一般只能适用于同一纬度地区。

地平式立针日晷是人类最早發明和使用的日晷类型，其他类型的日晷多数可以看作是在地平式立针日晷的基础上衍化而来的。地平式斜针日晷的晷针斜置，与晷面的夹角等于当地纬度，针端指向北天极（相当于晷针与地轴平行）。

2.立面日晷——子午式

立面日晷的晷面垂直于水平面，并与地球子午面（经线平面）平行，因而构成面东、面西两个立面，分别用于测定上午和下午的时间。晷针垂直于晷面，用针影的长度来指示时刻，斜度指示节气。在实际应用中，子午式日晷可以是一个独立的晷面立于水平面（合面），显示为东西两面，也可以将晷面分别安装于建筑物面东、面西的墙壁上，各显示一面（分面）。其缺点是，正午时由于阳光直射立面侧边，晷针无影，12点前后的时刻很难表现。

3.立面日晷——卯酉式

晷面为单面，朝南（南半球朝北），垂直于水平面，并与地球卯酉面（纬线平面）平行。

根据晷针的走向，卯酉式日晷又分为平针和斜针两种。前者晷针平行于水平面，垂直于晷面，时刻线不交汇于针孔；后者晷针平行于地轴（与晷面的夹角等于当地纬度的余角），时刻线交汇于针孔。两种日晷的时刻线均为不均匀分布，但左右对称，并均可设计左右对称的节气线，用针影的斜度指示时刻，用针影的长度指示节气。卯酉式日晷的缺点是“下午无影”，即（北半球）从春分到秋分这半年里，下午的阳光照不到面南的晷面，转到北面去了，可能还要为此增设一个面北的晷面。

▲ 卯酉式斜针日晷

9.异面日晷——锥面式

晷面为锥体的表面，晷针一般置于锥顶，时刻线、节气线要根据晷针的位置、走向来确定。分为圆锥和方锥两种。

10.异面日晷——柱面式

晷面为圆柱体的表面，分为外圆柱面和内圆柱面两种。时刻线、节气线设计方法较为复杂。

11.映面日晷——投射式

映面日晷即投射式日晷，它利用日光直接或间接投射在特定的映面上来标示时间，分为透射（直射）和折射两种。透射日晷是日晷类型中比较“另类”的一种，它不像大多數日晷那样用晷针的影子来标示时间。严格地说，它既没有晷针，也没有晷盘，而仅仅是设置了一个透射面，直接用透过透射面、映照在物体上的日光本身来标示时间。当然也可以这样理解，它是利用透射面上的遮挡物形成的阴影，挡住了不需要透过的光。