为什么还没到冬至，天却黑得越来越晚？
为什么还没到冬至，天却黑得越来越晚？撰文/魏家辉
中科院物理所
今天
这周末就是冬至啦，准备好迎接数九寒冬了吗？众所周知，冬至那天是一年中夜晚最长，白天最短的日子。那么，在邻近冬至的这几天，天应该亮得越来越晚，黑得越来越早吧？可是，如果你关心每天日出日落的时间的话，会发现最近几天太阳落山却是越来越晚了。以北京为例，日落最早的那天并不是冬至（今年是12月22日），而是冬至前两周（12月8日）。
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北京近期日出、正午、日落时间和昼长。可见虽然12月22日那天昼长最短，但却不是日出最晚、日落最早的那天
不仅最早日落出现在冬至之前，甚至最晚日出也不是冬至那天，而在冬至后约两周（2019年1月5日）。为什么会出现这种情况呢？
这是由于每一天的长度实际上并不一样。
咋一听可能难以理解，在我们的惯常思维中，地球自转一圈的24小时就是一天呀？其实上，这句话其实包含了三个不同的天文历法概念：恒星日、真太阳日和平太阳日。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/ibvrh4C5y4kzgluAG0kJg4UiabarvY3EngibbetpAHJKEsVlZzibeYE67Zmj6dV01zBu2FMSmibaNPibynwSKjI9JuUw/640?wx_fmt=png图中由1到2为恒星日，1到3为太阳日图/Gdr/wikipedia
恒星日是地球在宇宙空间中自转一圈的用时，一个恒星日为23小时56分4秒（由于地球自转的不规则，恒星日也有微弱的差别，这里说的实际是平恒星日）。真太阳日是同一地区太阳两次经过最高点（正午）的时间间隔，这也是日晷所定义的一天。由于地球每自转一圈的同时绕日公转约1°，所以真太阳日比恒星日略长。地球需要多自转大约4分钟，才能让同一地区再次对准太阳。随着计时精度的提高，人们发现每个真太阳日并不相等。于是又发展出平太阳日这一计时单位，即全年真太阳日的平均，为24小时，这也是钟表的一天（由于地球自转的减速，平太阳日每过100年大约会减少2微秒）。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/ibvrh4C5y4kzgluAG0kJg4UiabarvY3EngzEVJa87xNEJjEicaSAaIIkSS6ybvNVWgJj9zlLzU0beibuwxO9mm3cGQ/640?wx_fmt=jpeg一年中平太阳日与真太阳日的差值，9月下旬达到极大值（真太阳日最短），12月下旬达到极小值（真太阳日最长）。图/USNO
到底为什么一年中的真太阳日会时长时短呢？这是为了抵消公转效应，地球每天多自转的时间各不相等的缘故。地球绕日轨道是一个椭圆，根据开普勒第二定律：地球在近日点附近时角速度大，也就是说公转效应更明显，地球需要自转更多的角度才能弥补真太阳日与恒星日的差距。目前地球的近日点在每年的1月3日左右，恰好位于冬至附近。这一效应使得冬至的真太阳日偏长大约8秒。
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此外，地轴的倾角导致地球赤道面和地球公转轨道面（黄道面）之间存在23°26′的黄赤交角。以地球为参考系观察，太阳一年的轨迹即沿黄道运行一圈，是一个倾斜于地球赤道面的大圆。在春分及秋分时，太阳斜着经过赤道面，此时太阳在黄道上的速度可以分解为平行赤道面的赤经速度和垂直于赤道面的赤纬速度。显然，赤经速度只是黄道速度的一个分量，所以公转效应小，真太阳日偏短。而在冬至和夏至时，太阳运行到了黄道相对于赤道面最远的位置，此时太阳的运动方向和赤道面平行，赤经速度等于黄道速度，所以冬至和夏至的公转效应大，真太阳日偏长大约21秒。
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地球轨道偏心率和黄赤交角这两个因素共同在冬至附近达到极大值，这让冬至有着一年中最长的真太阳日：24小时30秒。这多出来的30秒就被压到了下一天，使冬至前后每天的正午都比前一天要晚约30秒（参见第一张图的正午时间）。在冬至前的两周，白昼变短的速度赶不上正午时刻后退的速度，于是日落的时间越来越晚。同理，在冬至后的两周，白昼变长的速度赶不上正午时刻后退的速度，所以日出时间依旧会变晚。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/ibvrh4C5y4kzgluAG0kJg4UiabarvY3EnglGKibQRgRSt1Hbiav1W6icv8W3gPJibSsgTjsoLFSbMrvaJYG01kGKHC2Q/640?wx_fmt=jpeg由平太阳日与真太阳日差值的累计导致的钟表中午与日晷正午的差别被称为均时差（蓝色）。均时差由公转轨道偏心率（棕色）和黄赤交角（绿色）两部分合成。均时差在11月初达到极大值约16分25秒（正午偏早），2月中旬达到最小值约14分15秒（正午偏晚）。图/USNO
如果你每天中午固定位置和方向拍摄一张太阳的照片，将全年的照片合而为一就能直观地看到钟表中午与日晷正午的差别——均时差。在这样的照片上，太阳能够走出“8字”的轨迹，被称为“日行迹”。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/ibvrh4C5y4kzgluAG0kJg4UiabarvY3Eng8mmPXeZ0cP4ic1aVcSeNiboNJqCvMoSKsjQE4I7qVxfuKEQ4XYjiaCHGg/640?wx_fmt=jpeg图/Anthony Ayiomamitis
上面这张照片拍摄于希腊帕特农神庙，图中“8字”的顶点是夏至，底点为冬至。不过，“8字”的交叉处并非春分秋分，而是均时差为0的4月中旬和8月底。“8字”的左侧表示均时差大于0，右侧则小于0。题图中则是在土耳其拍摄的全年日行迹（并非正午时刻），正好记录下了一次日食。如果你还是觉得有些晕晕乎乎，那欢迎收看由阿尔法字幕组翻译的视频解说：“分钟物理——为什么12月有一年中最长的太阳日”data:image/gif;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAAEAAAABCAYAAAAfFcSJAAAADUlEQVQImWNgYGBgAAAABQABh6FO1AAAAABJRU5ErkJggg==
来源：科学世界编辑：Shiny
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