【新文章】一天真的剛好24小時嗎？

上一篇文章《為什麼一天有24小時？》引起了幾位讀者朋友對1秒的現代科學定義的討論，我覺得是非常好的現象，說明很多朋友都覺得科學是有趣的，會在讀完文章後繼續思考，而不是把我說的照單全收。其中余承翰和Milka Wong分別對埃及的講解和中國的情況作出補充，非常感謝。朋友Lezhi Lo更不吝分享了他製作的精美圖解，解釋了使用銫-133作為現代計時基準的物理學上的考慮。非常感謝Lezhi的補充，他的圖解比我的文章更直觀也更易明白。

不過除了物理學上的原因，還有最後一個非常重要的理由，就是銫-133的基態超精細結構躍遷頻率剛剛好等於以往天文學上測量到的曆書秒（ephemeris second），或即現代的原子時，即以天文考量而把一天切割成 24 x 60 x 60 = 86,400 等份。這個做法對日常生活影響最小，因此亦最能為社會所接受。

有見及此，我希望把這討論延伸，講講天文學上關於一天的長度的幾種不同定義。

試想像我們是活在古代的天文學家，我們可以如何定義一天的長度呢？最簡單的做法，就是每天晚上觀察天上的星星東升西落，然後計算在下一個晚上需要多少時間才能看見一模一樣的星空。這樣做的好處是換日期的時間在午夜，不會對日間活動的人類造成混淆。這樣定義的一天叫做恆星日或回歸日（sidereal day）。

然而，我們會發現一個問題：雖然星空和太陽一樣，每日都會東升西落一次，但星空的運轉速率比太陽快一點點，只需要23小時56分鐘4秒就完成一圈，而太陽卻需要24小時。這是因為地球在自轉的同時亦在環繞太陽公轉，因此如上圖所示地球需要比星空轉一圈再轉多一點點才能再次對準太陽。這樣就有麻煩了，半年後，午夜零時豈不是會發生在正午？

因此，我們就想出了另外一個方法定義一天的長度：太陽每天正午時分都必定位於南北指向的子午線之上（「子午」就是這個意思），因此只需要把連續兩個正午之間的時間間隔定義為一天就好了！這樣做的話能確保正午都發生在太陽穿越子午線的一刻，不會導致日夜顛倒。這樣定義的方法叫做太陽日（solar day），長度當然是剛剛好24小時，因為這根本就是定義24小時的方法啊。

然而，我們還有一個問題。如果地球環繞太陽的軌道是正圓形的話還可以，但是地球軌道其實是橢圓形的。這就出現了另一個問題：地球公轉的速率每天都不一樣，使得每個太陽日的長度都不一樣！如果硬要以太陽日為定義24小時的方法，難道1秒的長度要變得每天都不一樣嗎？

最後，我們想到了一個方法，就是把一天的長度與每天的實際太陽日長度脫鈎，轉移使用一年下來的每一天太陽日的平均長度：這叫做平太陽日（mean solar day）。我們更進一步直接定義一個平太陽日為86,400秒，再把換天的時刻定為日落後、日出前這段夜晚時間的正中間，這就解決了大部分日常生活所需的問題了。亦因為這樣的定義，正午都不會是發生在剛剛好12時正的，有時會比12時早、有時比12時遲。

然而，跟據現代科學使用銫-133定義出來的1秒，長度其實並不剛剛等於用平太陽日切割出來的1秒。這是因為潮汐作用使地球轉得越來越慢。現在一個平太陽日太約等於86,400.002個銫-133定出來的秒。所以我們可能會以為，一年下來會累積365 x 0.002 = 0.73秒，即差不多一秒！這樣的話豈非每隔年就必須加入潤秒嗎？可是我們知道加入潤秒其實並不常見，加入的時間亦絕非週期性。為什麼呢？

這是因為地球並非只有自轉、公轉、潮汐作用等會影響太陽日的長度。地殼活動、季候風、洋流等等都會影響地球的轉速，而且還未考慮歲差——自轉軸因太陽和其他行星重力造成的進動和章動等影響。因此每天的長度其實是混沌的，非常難以用理論準確預測，只能透過實際測量得知。總言之，上述各種貢獻相加，令我們並不需要隔年就添加潤秒。

討論了秒、分、時、天的定義，下次我們再討論有關定義月和年的問題。

延伸閱讀：

有關潤秒可參考NASA的講解：https://www.nasa.gov/feature/goddard/nasa-explains-why-june-30-will-get-extra-second

港大物理系課程Nature of the Universe網上講義：https://www.lcsd.gov.hk/CE/Museum/Space/archive/EducationResource/Universe/framed_e/index.html

封面圖片：NASA

日本新潟前幾天起受到冷氣團影響，降雪量創紀錄，導致有上千輛汽車受困於高速公路上，車子動彈不得綿延15公里，多位駕駛在車上度過近40小時，除了日本，世界各地也屢傳低溫記錄，跟近年夏天的高溫成對比，其實這些年，全世界已面臨夏天高熱，冬天又冷得不得了的極端氣候。
這種冬天極冷也與全球暖化有關，是因為北極震盪與極地渦漩。
地球自轉不是繞著南北極長軸垂直地旋轉，而是偏一個角度斜斜的轉，而且地球繞太陽的公轉也不是正圓形，而是橢圓形，這使得太陽光照到地球的角度不是很平均也不是很一致，但是卻又有一定的規律，這產生了地球上大部份地區有春夏秋冬的四季變化，長期來也會有冰河時期與非冰河時期的間歇性變化。不過，氣候的變化雖然有跡可尋，但是因為會造成影響的可變因素太多了，所以任何預測都有很多的不確定因素。
地球的大氣與海洋一樣都會流動，影響流動有二個因素，一個是地球自轉與地心引力拉著它們動，另外就是太陽光照量不同形成的冷熱溫度的差異所形成的流動。空氣與水都會熱漲冷縮，一膨漲密度就低，會變輕，就會上升，冷縮密度大會變重就會下降。地表陸地比空氣容易吸熱，另外赤道與熱帶地區也比寒帶地區來得熱，冷熱不同空氣的流動，形成幾個大氣環流，也就是氣象報導常常說的什麼熱帶海洋氣團，副熱帶高壓這些名詞。
在北極圈內因為日照非常少，所以有非常冷的空氣，形成與地球自轉方向相反的極圈氣團，而且因為冷空氣會下沈，北極上空就會形成逆轉的低氣壓，也就是與地球自轉方向一致的北極渦旋。換句話說，極圈氣團是離地面比較近的冷空氣，而極地渦旋是高空快速旋轉的冷空氣。新聞報導所說的北極震盪就是指北極與附近地區，比如北美洲歐洲，靠近地面的氣壓強弱的消長，就像翹翹板一樣，有時候北極中心氣壓高，北美洲歐洲氣壓就低，相反的，若是北極中心氣壓低一點，南邊的氣壓就相對會高一點，這就是所謂震盪。
或許可以想像成極地渦旋是一個冰箱，極地渦旋夠強時，自己轉得很快不會散掉，就像冰箱門關著，若是渦旋不夠強，它就會被地球自轉及其他力量所衝散，冷氣就往外洩出，也就是往北美洲歐洲擴散，帶來超級冷的氣流。
雖然地球的氣候變遷非常複雜的，但是有許多學者研究顯示，因為全球暖化造成北極海冰的消失，打亂了原本北極振盪以及其他氣流循環的規律，未來會更常出現嚴寒的冬天，因為北極海冰的消失減弱極地渦旋的強度，反而會提高北極冷氣團入侵南方陸地的機會。
總之，全世界每個人都得面對這種極端氣候所帶來的風險，不只是加一件衣服少一件衣服而已，還連帶著下大雨、乾旱、糧荒、瘟疫……等等，因此從個人到社會，國家都要有足夠的韌性來因應。

東方運用唯美神秘的故事妝飾月亮🌙🐇

#月圓之時🌕即是 #家人團圓之時👨‍👨‍👧‍👦

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「 ⁠WE'LL SEE YOU ON THE OTHER SIDE⁠」⁠
（⁠#我們將在另一面與你們再會⁠）🇺🇸🇺🇸🇺🇸

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