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子午线

子午线也称经线,和纬线一样是人类为度量方便而假设出来的辅助线,定义为地球表面连接南北两极的大圆线上的半圆弧。任两根经线的长度相等,相交于南北两极点。每一根经线都有其相对应的数值,称为经度,指示东西位置。

子午线也叫经线,是在地面上连接两极的线,表示南北方向。经线和垂直于它的纬线构成地球上的坐标既经纬网。地球上任何一个地方的位置都可以用一条经线和纬线的交叉点来表示。所有的经线长度都相等。科学家把开始计算经度的一条经线「0度经线」叫做本初子午线,1884年的10月1日,在美国的华盛顿召开了国际会议。10月23日,大会通过一项决议向全世界各国政府正式建议,采用经过英国伦敦格林尼治天文台子午仪中心的,作为计算经度起点的本初。从0°经线算起,向东划分0°~180°,为东经度 ,向西划分0°~180°.为西经度,1953年,格林尼治天文台迁移到东经0°20′25″的地方,但全球经度仍然以原址为零点计算。 在英国伦敦有一条本初,0度。 本初又称"首"或"零"也就是0°经线,是地球上计算经度的起算经线。本初制定和使用是经过变化而来的。本初从本初起 ,分别向东和向西计量地理经度,从0度 到 180度。1884年在华盛顿举行的国际会议决定,采用通过英国伦敦格林尼治皇家天文台(旧址)埃里中星仪作为时间和经度计量的标准参考,称为本初。1957年后格林尼治天文台迁移台址,国际时间局利用若干天文台在赤道上定义了平均天文台经度原点,它由这些天文台的经度采用值和测时资料归算而得。1968年起把通过国际习用原点和平均天文台经度原点的作为本初。本初是地球上的零度经线,它是为了确定地球经度和全球时刻而采用的标准参考,它不像纬线有自然起点--赤道。

19世纪以前,许多国家采用通过大西洋加那利群岛耶罗岛的。那条相当于今天的西经17°39′46〃经线。19世纪上半叶,很多国家又以通过本国主要天文台的为本初。这样一来,在世界上就同时存在几条本初,给后来的航海及大地测量带来了诸多不便。于是1884年10月13日,,在华盛顿召开的国际天文学家代表会议决定,以经过英国伦敦东南格林尼治的经线为本初,作为计算地理的起点和世界标准"时区"的起点。

后来这一天便定为国际标准时间日。经度值自本初开始,分别向东、西计量,各自0°-180°或各自0-12时。本初以东为东经,以西为西经,全球经度测量均以本初与赤道的交点E点作为经度原点。1957年后,格林尼治天文台迁移台址,国际上改用若干个长期稳定性好的天文台来保持经度原点,由这些天文台原来的经度采用值反求各自的经度原点。再由这些经度原点的平均值和E点的差值来决定和保持作为全球经度原点的有点。

世界上最早计算子午线长度的人是古希腊天文学家埃拉托斯特尼(公元前276年出生),他制造了skaphe天文仪器,知道在夏至日正午时分从北回归线上看,太阳正好在天顶的位置;阿斯旺其实是在回归线稍北。他推断出亚历山大港到阿斯旺的距离一定是整个地球圆周的7/360 。从商队那里可以知道两个城市间的实际距离大概是5000stadia. 他最终确立了700 stadia为一度。他算出来的数值为252000斯塔蒂亚(stadia)。斯塔蒂亚乃是古希腊的长度单位,其长度各地不一。如按雅典的长度算,1斯塔蒂亚等于185米,则地球周长为46620公里,多了16.3%,若按埃及的长度算,1斯塔蒂亚等于157.5米,则地球周长为39690公里,其误差小于2%。

汉代以来,中国古代天文学家也知道越往南日影长度越短,越往北日影长度越长;但中国没有形成明确的大地是球形的观念,也没有实际测量日影长短差与距离的准确比例,只是在大地是平面的假设前提下推得一个结论:南北相距千里,日影长度相差一寸。在隋代大业初年(约604-607),天文学家刘焯(544-608)就对这一结论表示怀疑,他提议:"请一水工(进行水平测量的工人),并解算术之士,取河(黄河)南北平地之所,可量数百里。南北使正,平地以绳。则天地无所匿其形,辰象无所逃其数。"大业三年(607),隋炀帝下令各地测影,惜因刘焯逝世而未果。100多年之后,天文大地实测工作的重大使命就落到了唐代开元年间的天文学家僧一行的身上。 僧一行(683-727),俗名张遂,魏州昌乐(河南南乐县)人,自幼刻苦好学,博览群书,因追求真理、逃避权势武三思的纠缠而赴嵩山削发为僧,人称僧一行。他于开元五年(717)到京城长安,任唐玄宗的天文顾问。此后他推广了大衍历,推广了刘焯的"关于太阳运行不等速"内插法公式,并和梁令瓒共同制成浑天铜仪和黄道游仪等。他使用许多新创制的天文仪器,重新测定了150多颗恒星的位置,并多次测量了二十八宿距天球北极的度数,发现前人测定的不少数据不准确。他根据自己观测的结果,推断恒星本身在天球的位置是不断变动的,从而成为世界上第一个研究恒星运动的天文学家,比英国天文学家哈雷(Edmund Halley,1656-1742)发现恒星运动早一千多年。

由于按原来的历法预报日食发生了较大误差,唐玄宗下令制定更完善的历法。僧一行决心以实地测量纠正原来历法的错讹之处,于开元十二年(724)发起并主持了历史上第一次天文大地测量工作。他选择的测量点南起林邑(位于今越南中部,约为北纬18度)、北到铁勒(今属蒙古,北纬51度),遍及安南都护府(位于今越南)、朗州武陵县(今湖南常德)、襄州(今湖北襄樊)、蔡州上蔡武津馆(今河南汝南)、许州扶沟(今河南扶沟)、汴州浚仪太岳台(今河南浚县)、滑州白马(今河南滑县)、太原府(今山西太原)、蔚州横野军(今河北蔚县)、阳城(今河南登封告城镇)、洛阳(今河南洛阳)等地。其中以南宫说等人在白马、浚仪、扶沟、武津一带南北四五百里的平坦地面上的测量效果最佳。他们观测了夏至、冬至和春分、秋分时的日影长度差(晷差),并实地测量距离,又测出这四点的北极星高(纬度),这样就算出北极星高度相差一度,相当于纬度相差一度时,地面上南北距离的差值。僧一行的测量结果是351里80步,折合129.22公里,比今值多了18.02公里多(今值是111.2公里)。僧一行的实地测量推翻了"王畿千里,日影一寸"的错误观念。测量结果相当于获得了子午线一度弧的长度,这次测量意义特别重大,被李约瑟认为是科学史上的创举。

世界上最早准确计算出子午线长度的人:希腊学者埃拉托斯特尼。

1871年第一届国际地理学会在比利时安特卫普召开,会议作出决议:"各国的海图要统一采用格林尼治子午线为零度经线,并在15年内付诸实施"。

1883年10月在罗马召开第7届国际大地测量会议,会议决议:"本初子午线必须是通过一级天文台的子午线,考虑到有90%的从事海外贸易的航海者已经以格林尼治子午线为基准来计算船的位置(经度)这一实际情况,各国政府应采用格林尼治子午线作为本初子午线"。关于时间问题,会议认为:在国际交往中应采用统一的世界时,这将会带来很大的方便。

1881年10月1日,国际子午线会议在美国华盛顿召开。最后大会通过了七个决议案,其中:

决议案之二:出席会议的各国政府应采用通过格林尼治天文台子午环中心的子午线作为本初子午线。

决议案之四:提倡采用世界时,根据需要也可以使用地方时标准时

决议案之五:世界日以本初子午线的零时为起点,民用日也从子夜零时开始。

至此,本初子午线、世界时等最终得以确立,并得到大多数国家的承认。

1968年,以国际协议原点(CIO)作为地极原点,把通过国际协议原点和平均天文台经度原点的子午线称为"本初子午线"。各种新技术确定的地球坐标系的经度零点都尽量与本初子午线一致,但往往有不到1〃的零点差别。

约公元前240年,古希腊科学家埃拉托斯特尼根据亚历山大港与syene(现在埃及的阿斯旺)之间不同的正午时分的太阳高线及三角学计算出地球的直径。当然,他的这种计算是基於太阳足够远而将其光线看成平行光的假设为根据的。他知道在夏至日正午时分从北回归线上看,太阳正好在天顶的位置;阿斯旺其实是在回归线稍北。他还测量出在他的家乡亚历山大港,这个时候太阳应该在天顶以南7°。这个角度是7/360 个整园。假设亚历山大港在阿斯旺的正北-实际上亚历山大港在阿斯旺偏西一个经度-他推断出亚历山大港到阿斯旺的距离一定是整个地球圆周的7/360 。对他用的是哪种量度制,专家们至今尚有争议。

从汉代以来,我国的天文学家就认为"南北地隔千里,影差长一寸"(日影一寸,地差千里),也即是说,在同一经线上的南北两个地方,在夏至这一天的中午,测得的日影长度相差一寸,两地就相距一千里远。经线是子午线。上述关于子午线长度的结论是正确的吗?南朝的天文学家何承天开始对此产生怀疑。到隋朝初年,天文学家刘焯向炀帝建议,国家组织包括水平测量和数学家在内的几方面的科学力量,协同进行一次大规模的大地天文测量。具体内容是在黄河南北的平原地区,于二至(夏至、冬至)、二分(春分、秋分)时,以准确的方位、时间和水平,同时在各个观测点测量日影长度,验证日影长度和地理纬度之间的定量关系。但是这一建议未能实现。 开元十二年(724年),从编制新历法的需要,在一行的倡议下,唐王朝开始进行空前规模的大地天文测量。在全国范围内设了13个测量点,使用的仪器、实施的方法、测量的内容,都在一行领导下统一进行审定。在各个测点,除了用传统的圭表测量两至、两分的正午日影长度,和各地的漏刻分差以外,还测量了各点的北天极(北极)的高度(当时的地理纬度)。测量北极高度使用的仪器,运用的原理、方法,均为一行首创。一行研制了"复矩",只要用直角尺的一边指向北极,另一条边与悬于直角顶点的铅锤悬线间形成的夹角角度,就是北极的地平高度。整个测量工作于第二年完成。

在这次测量中,以天文学家、太史监南宫说(音悦)率领的测量队最为重要。南宫说在黄河两岸的白马(今河南滑县)、浚仪(今河南开封市西北)、扶沟(今河南扶沟县)、上蔡(今河南上蔡县)设了四个观测点。一行从南宫说等人测量的大量数据中,通过计算,得出了结果:北极高度相差1度,南北距离就相差351里80步。这就是子午线1度的长度。唐开元时,5尺为1步,300步为1里,1尺为24.56厘米。351里80步折合今制为131.3公里;现代科技算出的子午线1度为111.2公里。二者相比,误差为20公里。但是这是世界上第一次测量子午线的记录,有极其宝贵的科学价值。因为测量子午线的长度,对测知地球大小有很大关系。经过此次测量,证明"日影一寸,地差千里"的说法是不正确的。

从这次测量中,一行还引出了一个光辉的科学思想:即在很小的、有限的空间探索出来的正确科学理论,如果不加分析地、任意向很大的、甚至无限的空间去推广,那就会导出荒谬的结论。

这次测量中,一行还算出南宫说的四个观测点黄道、赤道交角的平均值为23°40′23″(折现制),现代科技测出的为23°36′、19″.098,二者很接近。此外,还验证了冬至的日影差和夏至的日影差,本来就不相同;各地的昼夜长短,也不相同。

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