□ 李 鑒

“光映潛云釀紫氣，日躍金盤舞嵐煙”，這句形容日出的詩(shī)句，是否也喚醒了你心里關(guān)于日出的記憶？許多文學(xué)作品都曾對(duì)日出進(jìn)行過細(xì)致入微的描寫，我們?cè)谥袑W(xué)課本里就曾熟讀過不少日出的場(chǎng)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(jīng)歷過的人才能真正品味其中之妙。我曾經(jīng)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(shí)讓人意猶未盡。是不是所有的日出都注定會(huì)轉(zhuǎn)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(guān)于日出的有意思的話題。

最短的日出

圖1 北半球低緯地區(qū)的太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)示意圖

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

紅色虛線是太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)軌跡，日出時(shí)間通常都很短（φ較小時(shí)），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(gè)過程中太陽(yáng)運(yùn)行的距離為AB，從圖中不難看出，赤道上AB的長(zhǎng)度最短，所以赤道上的日出持續(xù)時(shí)間最短。通過計(jì)算可知，如果忽略地球公轉(zhuǎn)的橢圓效應(yīng)，在春秋分日，赤道上的日出持續(xù)時(shí)間大致為128秒。如果不算那些太陽(yáng)尚未完全升起就已經(jīng)開始下落的“日出”的話，這就是我們?cè)诘厍蛏夏芤姷降淖疃痰耐暾粘觥?/p>

需要說明的是，在不同的日期，赤道上看到的日出持續(xù)時(shí)間也存在微小的差別。這是因?yàn)榈厍蛟谧赞D(zhuǎn)（導(dǎo)致周日視運(yùn)動(dòng)）的同時(shí)，也在圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)周期為一年，同時(shí)自轉(zhuǎn)的軌道面（即赤道面）與公轉(zhuǎn)軌道面（天文學(xué)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(diǎn)，在北半球觀測(cè)日出，這天的太陽(yáng)直射點(diǎn)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(zhuǎn)，太陽(yáng)的直射點(diǎn)將往北偏移一點(diǎn)兒，這時(shí)我們看到日出的方位也比冬至日往北偏了一點(diǎn)兒，以后將逐日偏北，直到春分日，太陽(yáng)直射點(diǎn)移到了赤道上，這天的太陽(yáng)將從正東方升起。往后日出的方位繼續(xù)北移，到夏至那天達(dá)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(dá)正東，冬至日到達(dá)東偏南23.5°。如此往復(fù)，年復(fù)一年。太陽(yáng)直射點(diǎn)的這種變化涉及到一個(gè)與地球公轉(zhuǎn)相關(guān)的天文概念——“周年視運(yùn)動(dòng)”。簡(jiǎn)單地說，由于地球存在著公轉(zhuǎn)，當(dāng)我們從地球上看太陽(yáng)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)它每天都在遙遠(yuǎn)的星空背景上緩慢地移動(dòng)著位置，方向與地球公轉(zhuǎn)方向相同（自西向東），一年移動(dòng)一周，這就是太陽(yáng)的“周年視運(yùn)動(dòng)”，其運(yùn)動(dòng)路徑就是黃道。總之，太陽(yáng)的周年視運(yùn)動(dòng)與周日視運(yùn)動(dòng)二者的綜合結(jié)果，使得我們看到的太陽(yáng)以螺旋線的形式繞著地球運(yùn)動(dòng)，它從冬至到夏至的半年時(shí)間里的視運(yùn)動(dòng)軌跡，就像一圈緊密的彈簧，這個(gè)“彈簧”的高度是2×23.5°=47°。周年視運(yùn)動(dòng)的存在，使得日出的位置每天都不盡相同，所以日出的持續(xù)時(shí)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(qū)見到的日出最長(zhǎng)（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(zhǎng)，緯度越高，兩分、兩至日所見的日出時(shí)間之差越大。例如在赤道上，兩分日的日出時(shí)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(zhǎng)的日出

圖3 北極日出示意圖。左圖為地球公轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸（以及赤道）與公轉(zhuǎn)平面的夾角。右圖為春分日前后在北極點(diǎn)附近經(jīng)度為0度的地方，觀測(cè)日出示意圖，太陽(yáng)從A運(yùn)行到B，走過的軌跡是一段很長(zhǎng)的螺旋線（未按實(shí)際比例）。

從圖2可以看出，地理緯度越高（即φ越大），日出時(shí)太陽(yáng)需走過的路徑越長(zhǎng)，日出的持續(xù)時(shí)間也就越長(zhǎng)。很容易想到，最長(zhǎng)的日出一定發(fā)生在南北極點(diǎn)。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(xué)上稱為“極晝”與“極夜”。所以在北極點(diǎn)，一年只會(huì)發(fā)生一次日出與一次日落，日出發(fā)生在春分日前后，日落發(fā)生在秋分日前后。在南極點(diǎn)恰好相反，日出發(fā)生在秋分日前后，日落發(fā)生在春分日前后。

在極點(diǎn)，地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)致的太陽(yáng)東升西落現(xiàn)象已經(jīng)不復(fù)存在，要想求出這里見到的日出持續(xù)時(shí)間，必須以太陽(yáng)的“周年視運(yùn)動(dòng)”為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行分析。以北極點(diǎn)為例，在春分日前后的一段時(shí)間里，太陽(yáng)以螺旋線的形式從地平之下運(yùn)行到地平以上，完成了日出的整個(gè)過程（圖3）。這段時(shí)間里，它的周年視運(yùn)動(dòng)軌跡是黃道上的一段小弧，所經(jīng)歷的時(shí)間為1.36天，這就是地球上能見到的最長(zhǎng)日出了。

如果有一只北極熊站在北極點(diǎn)，只有經(jīng)過半年的漫長(zhǎng)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?yàn)樗凶阕?2.6個(gè)小時(shí)的時(shí)間來欣賞日出的美景！相比于地球其他地方，這絕對(duì)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(shí)間總長(zhǎng)也不到13小時(shí)，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(jīng)度越大）見到的日出越早。而在同一經(jīng)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(shí)間里，緯度越高的地方，日出越早；從秋分到春分的半年時(shí)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(jīng)度差不多，都為東經(jīng)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(jié)，北京的日出比合肥要早14分鐘左右。而到國(guó)慶節(jié)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(shí)間相同。

在同一個(gè)地方，如果想要早一點(diǎn)看到日出，往東走當(dāng)然是很好的辦法。還有一個(gè)更簡(jiǎn)單的方法，那就是爬到高處。因?yàn)榈厍蚴乔蛐蔚?，登高可以看得更遠(yuǎn)，當(dāng)然見到太陽(yáng)的時(shí)間會(huì)更早一些。假設(shè)我們?cè)诒本┛慈粘?，我決定去天安門廣場(chǎng)（北緯39°54'26.37"，東經(jīng)116°23'29.22"），而你想留在北京西邊的香山（北緯39°58'10.57"，東經(jīng)116°10'15.24"）腳下，誰(shuí)會(huì)率先見到第一縷陽(yáng)光呢？我比你更靠東，而我們的緯度又都差不多，我當(dāng)然會(huì)先看到日出。以夏至日為例，我會(huì)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(chǎng)高了350米，那么情況就反過來了，你不僅會(huì)比我早見到第一縷陽(yáng)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(shí)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(diǎn)兒，改變的視野卻超乎想象。

這是個(gè)很有意思的問題，只是計(jì)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(xì)討論：http://scalar1.blog.sohu.com/175861649.html

地球上的“日出西山”

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

其實(shí)在地球上也能見到太陽(yáng)打西邊出來，這一奇景發(fā)生在南、北極點(diǎn)及其緊鄰區(qū)域！在解釋這個(gè)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(xué)上對(duì)方向是這樣規(guī)定的：經(jīng)線所指的方向?yàn)槟媳狈剑暰€所指的方向?yàn)闁|西方，東西和南北是垂直的。其實(shí)早在地理學(xué)的規(guī)定之前，古人們就已經(jīng)通過天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)東南西北進(jìn)行約定了。我們?cè)诘厍蛏嫌^測(cè)星空，它們都是從東邊升起，在西方落下，這是地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的反映，也是東南西北定義的本源：北是地球自轉(zhuǎn)軸所指的方向，南就是它的反方向，順著地球自轉(zhuǎn)的方向?yàn)闁|，它的反方向就是西。我們?cè)诔Ｕf的東南西北方向，就是這幾個(gè)方向在大地平面上的投影。

那么，北極點(diǎn)的太陽(yáng)從哪兒升起呢？這是一道著名的腦筋急轉(zhuǎn)彎題，據(jù)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(rèn)為答案是南方。理由很簡(jiǎn)單，因?yàn)闆]有比北極點(diǎn)更北的地方，所以在北極點(diǎn)往別處看，任意方位都是南方，說這兒的太陽(yáng)是從南方升起總沒錯(cuò)。這是一個(gè)很投機(jī)取巧的回答，從科學(xué)上講或許沒錯(cuò)，但對(duì)搞清楚問題的本質(zhì)卻一點(diǎn)幫助都沒有。如果我們?cè)俳又鴨?，在北極點(diǎn)旁邊10米的地方，太陽(yáng)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(diǎn)當(dāng)然是一樣的，那是不是說這兒的太陽(yáng)也是也從南方升起的呢？顯然不是。因?yàn)橹灰獩]在北極點(diǎn)，哪怕離極點(diǎn)只有0.1米，也仍然能按照定義確定出東、南、西、北四個(gè)方向，并不是“所有地方都是南方”。面對(duì)這個(gè)問題，那個(gè)取巧的回答就無能為力了。

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

可見要回答“北極附近10米的地方太陽(yáng)從哪兒升起”，還必須知道所在地的經(jīng)度，否則無法作答。假設(shè)這里的經(jīng)度為0°，那么太陽(yáng)從西經(jīng)122°處升起，換算成方位，也就是西偏北32°；假設(shè)這兒的經(jīng)度為東經(jīng)120°，那么太陽(yáng)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(nèi)都視為西方，那么2011年，在北極附近從東經(jīng)13°到東經(jīng)103°的區(qū)域內(nèi)的觀測(cè)者看來，太陽(yáng)都是從西邊升起的！

需要說明的是，經(jīng)過計(jì)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(diǎn)周圍6.6千米的范圍內(nèi)。如果超出這個(gè)范圍不遠(yuǎn)，盡管太陽(yáng)也能冒出地平，但還沒來得及升起就會(huì)落下，不能算做完整的日出，而超出這個(gè)范圍更遠(yuǎn)的地方，雖能見到完整的日出，但再也不能看到太陽(yáng)從西邊升起了。與北極類似，南極點(diǎn)周圍6.6千米的范圍內(nèi)，也能見到太陽(yáng)打西邊出來。

關(guān)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(xì)討論。另外，通過站立、臥倒所見的太陽(yáng)上邊緣冒出地平線的時(shí)間之差，也可以估算出地球的半徑，只是這個(gè)方法需要考慮的因素很多，得到的結(jié)果和日期、緯度都有關(guān)系，大家不妨想想，該怎么操作才能獲得最準(zhǔn)確的結(jié)果？

圖4 北極附近俯視圖。中心的綠色圓點(diǎn)代表北極點(diǎn)和它周圍的緊鄰區(qū)域，黃色線條表示地理經(jīng)圈，每?jī)蓷l線的間隔為150°。紅色箭頭標(biāo)注的是2011年北極點(diǎn)所見的日出方位，約為西經(jīng)122°。對(duì)北極點(diǎn)周圍經(jīng)度為0°處的觀測(cè)者來說，這次日出的方位是西偏北32°

超鏈接

天安門廣場(chǎng)的日出

到天安門廣場(chǎng)旅游過的人，大都看過莊嚴(yán)肅穆的升國(guó)旗儀式。我們可以查詢天安門地區(qū)管理委員會(huì)網(wǎng)站公布的天安門升降旗時(shí)刻表（http://www.tiananmen.org.cn/f l ag/index.asp），來了解升國(guó)旗儀式的時(shí)間。很容易發(fā)現(xiàn)這個(gè)升、降旗的時(shí)間，是根據(jù)天安門廣場(chǎng)見到的日出日落時(shí)刻確定的。關(guān)于升旗儀式的具體信息，目前沒有官方公告，但有一個(gè)在網(wǎng)絡(luò)上廣為流傳的資料說：“早晨，當(dāng)太陽(yáng)的上邊緣與天安門廣場(chǎng)所見的地平線相切時(shí)，國(guó)歌奏響，然后到太陽(yáng)的下邊緣與地平線相切的時(shí)候，國(guó)旗升到項(xiàng)端，持續(xù)時(shí)間是兩分零七秒?！?/p>

從科學(xué)的角度看，這個(gè)說法肯定是不準(zhǔn)確的，原因是我們不可能在北京觀測(cè)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(xù)時(shí)間都比這個(gè)數(shù)大。希望大家不要再以訛傳訛。