日出的玄機

□ 李 鑒

“光映潛云釀紫氣，日躍金盤舞嵐煙”，這句形容日出的詩句，是否也喚醒了你心里關于日出的記憶？許多文學作品都曾對日出進行過細致入微的描寫，我們在中學課本里就曾熟讀過不少日出的場景。然而日破云濤的壯闊磅礴，霞光噴薄的雄奇瑰麗，相信只有親身經歷過的人才能真正品味其中之妙。我曾經兩次觀看日出，兩次都給帶給我無窮的震撼，但也兩次扼腕于日出的短暫，那攝人心魄的奇景，總是只有短短的兩三分鐘，著實讓人意猶未盡。是不是所有的日出都注定會轉瞬即逝呢？這篇文章的目的，就是試圖破解這一謎題，并討論一些關于日出的有意思的話題。

最短的日出

圖1 北半球低緯地區的太陽視運動示意圖

天文學家告訴我們，日出時間的長短，與觀測者所在的地理緯度有關。我們知道，太陽每天東升西落，兩次升起之間的時間間隔是24小時。在我們看來，太陽看上去每天繞地球運行一周（360度），這在天文學上稱為“周日視運動”，是地球自轉引起的視覺效果。因此太陽在天空中每秒鐘走過的角度為15角秒（15"），即太陽的周日視運動角速度為：ω=15"/s。如圖1所示，太陽的周日視運動軌跡是一個與天極（即正北方向）平行的圓，而天極的地平高度等于觀測地的地理緯度（φ），所以太陽視運動圓面與地平面的夾角也和地理緯度有關，如圖2所示。

紅色虛線是太陽視運動軌跡，日出時間通常都很短（φ較小時），這段軌跡可以視為直線。

圖2 不同地方所見的日出示意圖

如圖2所示，日出的整個過程中太陽運行的距離為AB，從圖中不難看出，赤道上AB的長度最短，所以赤道上的日出持續時間最短。通過計算可知，如果忽略地球公轉的橢圓效應，在春秋分日，赤道上的日出持續時間大致為128秒。如果不算那些太陽尚未完全升起就已經開始下落的“日出”的話，這就是我們在地球上能見到的最短的完整日出。

需要說明的是，在不同的日期，赤道上看到的日出持續時間也存在微小的差別。這是因為地球在自轉（導致周日視運動）的同時，也在圍繞太陽公轉，公轉周期為一年，同時自轉的軌道面（即赤道面）與公轉軌道面（天文學上稱為“黃道”面）存在大約23.5°的夾角。如果我們以冬至那天為起點，在北半球觀測日出，這天的太陽直射點是在南回歸線上，即南緯23.5°，所以我們看到日出的方位是東偏南23.5°。一天以后，由于地球公轉，太陽的直射點將往北偏移一點兒，這時我們看到日出的方位也比冬至日往北偏了一點兒，以后將逐日偏北，直到春分日，太陽直射點移到了赤道上，這天的太陽將從正東方升起。往后日出的方位繼續北移，到夏至那天達到最北端——東偏北23.5°，然后再開始反過來往南移，直到秋分日到達正東，冬至日到達東偏南23.5°。如此往復，年復一年。太陽直射點的這種變化涉及到一個與地球公轉相關的天文概念——“周年視運動”。簡單地說，由于地球存在著公轉，當我們從地球上看太陽時，會發現它每天都在遙遠的星空背景上緩慢地移動著位置，方向與地球公轉方向相同（自西向東），一年移動一周，這就是太陽的“周年視運動”，其運動路徑就是黃道?？傊柕闹苣暌曔\動與周日視運動二者的綜合結果，使得我們看到的太陽以螺旋線的形式繞著地球運動，它從冬至到夏至的半年時間里的視運動軌跡，就像一圈緊密的彈簧，這個“彈簧”的高度是2×23.5°=47°。周年視運動的存在，使得日出的位置每天都不盡相同，所以日出的持續時間每天都有微小的差別。

在同一天，赤道上見到的日出最短，高緯度地區見到的日出最長（若能見到完整的日出的話）。同一緯度處，春、秋分日見到的日出最短，冬、夏至日見到的日出最長，緯度越高，兩分、兩至日所見的日出時間之差越大。例如在赤道上，兩分日的日出時間為128秒左右，兩至日約為138秒。在北京（φ=40°），兩分日為167秒左右，兩至日約為196秒。

最長的日出

圖3 北極日出示意圖。左圖為地球公轉示意圖，地球的陰影部分為黑夜，視角為從北往南俯視，地球上的黃色弧線顯示的是赤道，注意地球自轉軸（以及赤道）與公轉平面的夾角。右圖為春分日前后在北極點附近經度為0度的地方，觀測日出示意圖，太陽從A運行到B，走過的軌跡是一段很長的螺旋線（未按實際比例）。

從圖2可以看出，地理緯度越高（即φ越大），日出時太陽需走過的路徑越長，日出的持續時間也就越長。很容易想到，最長的日出一定發生在南北極點。但南北極的日出可不同于我們常見的日出，有許多特別之處。在我們生活的地方，只要天氣晴朗，每天都能見到日出。但是在北極卻完全不一樣，一年之中，這兒除了半年白晝（從春分日到秋分日），就是半年黑夜（從秋分日到春分日），這在天文學上稱為“極晝”與“極夜”。所以在北極點，一年只會發生一次日出與一次日落，日出發生在春分日前后，日落發生在秋分日前后。在南極點恰好相反，日出發生在秋分日前后，日落發生在春分日前后。

在極點，地球自轉導致的太陽東升西落現象已經不復存在，要想求出這里見到的日出持續時間，必須以太陽的“周年視運動”為出發點進行分析。以北極點為例，在春分日前后的一段時間里，太陽以螺旋線的形式從地平之下運行到地平以上，完成了日出的整個過程（圖3）。這段時間里，它的周年視運動軌跡是黃道上的一段小弧，所經歷的時間為1.36天，這就是地球上能見到的最長日出了。

如果有一只北極熊站在北極點，只有經過半年的漫長等待后，才能從黑暗中迎來日出，不過它的等待也是值得的，因為它有足足32.6個小時的時間來欣賞日出的美景！相比于地球其他地方，這絕對算得上奢侈了。以赤道為例，假如有一只生活在赤道的猴子，就算它每天都能看到日出，一年下來，它能看到的日出時間總長也不到13小時，還不到北極熊所見的一半。

最早的日出

在同一天，什么地方見到的日出最早呢？粗略地說，在同一緯度處，自然是越往東（即經度越大）見到的日出越早。而在同一經度處，在從春分（3月21日左右）到秋分（9月21日左右）的半年時間里，緯度越高的地方，日出越早；從秋分到春分的半年時間里，正好相反，緯度越低的地方，日出越早。例如，北京和合肥的經度差不多，都為東經116.5度左右，北京的緯度為北緯40度，合肥為北緯31度。在六一兒童節，北京的日出比合肥要早14分鐘左右。而到國慶節這天，北京的日出比合肥晚了大約3分鐘。在春分、秋分這兩天，北京、合肥的日出時間相同。

在同一個地方，如果想要早一點看到日出，往東走當然是很好的辦法。還有一個更簡單的方法，那就是爬到高處。因為地球是球形的，登高可以看得更遠，當然見到太陽的時間會更早一些。假設我們在北京看日出，我決定去天安門廣場（北緯39°54'26.37"，東經116°23'29.22"），而你想留在北京西邊的香山（北緯39°58'10.57"，東經116°10'15.24"）腳下，誰會率先見到第一縷陽光呢？我比你更靠東，而我們的緯度又都差不多，我當然會先看到日出。以夏至日為例，我會比你早大約41秒看到日出，冬至日則要比你早65秒。但如果你爬到香山頂上，高度比北京天安門廣場高了350米，那么情況就反過來了，你不僅會比我早見到第一縷陽光，而且還要早得多。夏至日那天，你比我早3分鐘見到日出，而冬至那天，你也比我早了2分35秒。事實上你只需爬大概30米就已足夠（前提是這兒沒有遮擋，能見到日出），這樣你全年都能比我更早見到日出了。高度變化哪怕只是一小點兒，改變的視野卻超乎想象。

這是個很有意思的問題，只是計算過程略顯繁瑣，感興趣的讀者可以參考我在博客上的詳細討論：http://scalar1.blog.sohu.com/175861649.html

地球上的“日出西山”

關于日出的話題，我們經常掛在嘴邊的“太陽打西邊出來”，恐怕是最令人感興趣的了。對居住在地球上的我們來說，這是最不可能發生的事情了，我們有絕對的把握說一件事情不可能的時候，都會自然地想起這句老話。等等，話可別說的太死，太陽真的不可能打西邊出來嗎？還真未必！

其實在地球上也能見到太陽打西邊出來，這一奇景發生在南、北極點及其緊鄰區域！在解釋這個天象之前，我們得先弄明白什么是東、南、西、北。大家都知道，地理學上對方向是這樣規定的：經線所指的方向為南北方，緯線所指的方向為東西方，東西和南北是垂直的。其實早在地理學的規定之前，古人們就已經通過天體的運動規律對東南西北進行約定了。我們在地球上觀測星空，它們都是從東邊升起，在西方落下，這是地球自轉運動的反映，也是東南西北定義的本源：北是地球自轉軸所指的方向，南就是它的反方向，順著地球自轉的方向為東，它的反方向就是西。我們在常說的東南西北方向，就是這幾個方向在大地平面上的投影。

那么，北極點的太陽從哪兒升起呢？這是一道著名的腦筋急轉彎題，據說還曾被微軟公司用作入職面試。許多人（包括微軟出面試題的高管）都認為答案是南方。理由很簡單，因為沒有比北極點更北的地方，所以在北極點往別處看，任意方位都是南方，說這兒的太陽是從南方升起總沒錯。這是一個很投機取巧的回答，從科學上講或許沒錯，但對搞清楚問題的本質卻一點幫助都沒有。如果我們再接著問，在北極點旁邊10米的地方，太陽從哪兒升起？這里離北極這么近，走路都用不了一分鐘，所見到的日出與在北極點當然是一樣的，那是不是說這兒的太陽也是也從南方升起的呢？顯然不是。因為只要沒在北極點，哪怕離極點只有0.1米，也仍然能按照定義確定出東、南、西、北四個方向，并不是“所有地方都是南方”。面對這個問題，那個取巧的回答就無能為力了。

北極并不是一個虛無的抽象點，而是依托于地球這個實體而存在的，盡管在這一點上地球的自轉速度為零，但這里依然能看到星空自東向西的旋轉。給定它附近的任意兩點，我們比照東南西北的定義，至少能知道其中哪一點比另一點更偏東。另外，考慮到在北極點是所有的地理經線匯聚之處，我們不妨以地理經線來作為北極點方向的參考線。如此一來，北極的日出方位，就可以根據地理經線確定下來。只是由于地球的公轉、自轉周期并不能恰好互相整除，所以每年北極日出時，太陽升起處的地理經線的位置并不相同，大體而言，其位置以4年（即平年、閏年的規律）為周期循環變化。例如2011年，北極點日出時，太陽于西經122°處升起，2012年變成了東經149°，2013年為東經63°，2014年為西經26°，2015年又回到西經114°，與2011年相差無幾。

可見要回答“北極附近10米的地方太陽從哪兒升起”，還必須知道所在地的經度，否則無法作答。假設這里的經度為0°，那么太陽從西經122°處升起，換算成方位，也就是西偏北32°；假設這兒的經度為東經120°，那么太陽升起的地方換算成方位，就是南偏西42°。如果我們把正西方向南、北各偏45°以內都視為西方，那么2011年，在北極附近從東經13°到東經103°的區域內的觀測者看來，太陽都是從西邊升起的！

需要說明的是，經過計算可以知道我們所說的“北極附近”，指的是北緯89°56'24"以北的地方，大致上是北極點周圍6.6千米的范圍內。如果超出這個范圍不遠，盡管太陽也能冒出地平，但還沒來得及升起就會落下，不能算做完整的日出，而超出這個范圍更遠的地方，雖能見到完整的日出，但再也不能看到太陽從西邊升起了。與北極類似，南極點周圍6.6千米的范圍內，也能見到太陽打西邊出來。

關于日出，還有好多有意思的話題，譬如著名的“兩小兒辯日”，還有利用一張日落照片估算地球半徑（http://www.matrix67.com/blog/archives/3331）等等，限于篇幅，這里不能再做詳細討論。另外，通過站立、臥倒所見的太陽上邊緣冒出地平線的時間之差，也可以估算出地球的半徑，只是這個方法需要考慮的因素很多，得到的結果和日期、緯度都有關系，大家不妨想想，該怎么操作才能獲得最準確的結果？

圖4 北極附近俯視圖。中心的綠色圓點代表北極點和它周圍的緊鄰區域，黃色線條表示地理經圈，每兩條線的間隔為150°。紅色箭頭標注的是2011年北極點所見的日出方位，約為西經122°。對北極點周圍經度為0°處的觀測者來說，這次日出的方位是西偏北32°

超鏈接

天安門廣場的日出

到天安門廣場旅游過的人，大都看過莊嚴肅穆的升國旗儀式。我們可以查詢天安門地區管理委員會網站公布的天安門升降旗時刻表（http://www.tiananmen.org.cn/f l ag/index.asp），來了解升國旗儀式的時間。很容易發現這個升、降旗的時間，是根據天安門廣場見到的日出日落時刻確定的。關于升旗儀式的具體信息，目前沒有官方公告，但有一個在網絡上廣為流傳的資料說：“早晨，當太陽的上邊緣與天安門廣場所見的地平線相切時，國歌奏響，然后到太陽的下邊緣與地平線相切的時候，國旗升到項端，持續時間是兩分零七秒?！?/p>

從科學的角度看，這個說法肯定是不準確的，原因是我們不可能在北京觀測到兩分零七秒的日出，而是在166～199秒之間。地球上只有在赤道上的春、秋分日能見到這么短的日出，其他地方、其他日期，所見的日出持續時間都比這個數大。希望大家不要再以訛傳訛。