陶寺观象台东1缝隙为何观测不到日出

                                蔺长旺

一、    陶寺观象台12个观测缝隙中线方位角与实测数据

 

图-1 摘选自李勇《世界最早的天文观象台——陶寺观象台及其可能的观测年代》

 

 

 

二、专家学者关于陶寺观象台实测精度与误差及其天文功能的分析

（一）《自然科学史研究》（ 2010 , 29 (3) :259-270）刊载李勇文：《世界最早的天文观象台——陶寺观象台及其可能的观测年代》。

作者为考察其作为古观象台的必要条件,借鉴现代实测方式, 采用计算机系统对其在BC 3000—BC 1000年间作日切山顶的模拟观测, 结论是该观象台可能的观测年代应早于BC 1500年, 且最佳观测年份为BC 1956年, 12条缝能观测21次,平均每缝的观测误差为0°.11,最大误差0°.7。观测日期与邻近节气的平均误差为4.5日。  

李勇认为观象台的观象目的可能是对陶寺文化中特定的时节(也许是处于萌芽状的节气)进行观测, 亦或用以提供进行祭祀等重要活动的时刻。

 

 （二）《中国科学》（2008 , 38 (9) :1265-1272）刊载武家璧、陈美东和刘次沅一文：《陶寺观象台遗址的天文功能与年代》。

文章称对该遗址各特征点位置进行了精确的测量，对其中E2，E12缝的中心线方位角和对应远山仰角测量数据进行了天文学分析。结果显示，现代夏至和冬至太阳升起时，接近E2，E12缝，但不能恰好进入。由于黄赤交角的长期变化，在考古学确定的年代（公元前2100年前后），太阳升起一半时，夏至太阳位于E12缝右部，冬至太阳位于E2缝正中。这令人信服地证明，FJT1是古代观象台的遗址。

《中国科技史杂志》（2009-06-15）刊载徐凤先文《“陶寺史前天文台的考古天文学研究”项目组春分观测纪行》。

此次考察的目的,就是在18日现场观测春分之际太阳在东7号缝日出。3月18日陶寺观象台的日出时间在早晨7点。将近6点半,我们转乘预订好的汽车,直奔观象台,希望能在这一天先观看一次日出的情况。到达观象台附近,太阳正从山后升起。站在观测点上,正好看到太阳在东7号缝里从塔儿山后面升起,直至下边缘和山脊线相切! 圆圆的、明亮的太阳像是被山脊线轻盈地托起来,位于东7号缝中略偏南一点的位置。（正在7号缝中间,太阳的下边缘与远山相切了! 日切了! 春分! 陶寺4000年前的春分应该是这个标准! 何驽激动地大声宣布。）但是很快,太阳就越升越高,同时向南移出了东7号缝,没多久,就高悬在东6号缝中了。

 

（三）山西新闻网（2010年01月10日04:57）发表文章《探秘中国最古老观象台》：

“2009年12月22日，冬至。8时18分，太阳从塔儿山上探出头，缓缓升起。大家屏息凝视从观测点看，太阳在2道缝的北侧。太阳逐渐离开山头，8时20分‘进入’2号缝中。‘古人应该就是这样观测天象的。’何驽告诉记者。通过日出定节令精确到一天，在缝中看到整个日出过程只有这一天日出时的七八分钟，而确定这一天节令的标准点是日出一半或太阳下缘切在缝中的山脊上那十几秒钟。

他兴奋地说：‘这次观测是成功的。4100多年前陶寺的冬至，日出一半时正在2号缝中间，因为古今黄赤交角的变化，如今冬至的日出点比古代偏北一点’。”

 

（四）何驽《陶寺中期小城观象台实地模拟观测资料初步分析》

2004年6月21日夏至，日半出一半在夏至南柱内。日切时太阳全在夏至南柱内。黄赤交角变化导致今天日出位置较四千年前南偏，故四千年前6月21日日半出在12号缝中线，是陶寺文化时期太阳走到最北点，白昼最长，黑夜最短，为陶寺夏至，与今天夏至日子相同。次日日出点即向南返。夏至是一年四季中最重要的节点之一，陶寺历法也不应例外。

 

   陶寺观象台观测缝冬至东2号缝方位角125°02′44.2″，夏至东12号缝方位角60°20′54.7″，二者之间张角64°41′49.5″，按10个等分。均分夹角为6°28′49.5″，而各缝间夹角与此均分数值相差较大，少则差11′、17′～19′，多则差44′、1°～2°。误差变化呈跳跃式不规则变化。误差十几分可能是建筑技术达不到精确水平所造成的技术误差，但是44′乃至1°、2°的误差过大，恐非技术水平误差所能解释的。因此，陶寺各缝中线很可能是陶寺人根据天文观测节令日出定点经验确定的，而不是冬至到夏至观测张角10等分得到的。

陶寺观象台所显示的陶寺太阳历法是根据当地实际需要，以观测日出定节令的地平历（Horizonal Calendar）或定点历（Positional Calendar）。这是世界上许多原始民族曾经使用过的比较原始的历法，每个节令的间隔天数并不相等，差别较大。而我国今天使用的二十四节气是成熟于秦汉之际的平分历，是按照太阳在黄道运行的位置等分计算得到的，每个节气大约15天左右。陶寺历法与二十四节气本属两个不同的历法系统，二十四节气早不到4000年前的陶寺文化时期。尽管如此，二者在节令意义上，还是有一些相近之处。

 

我们通过将陶寺历法与廿四节气对比分析，二者从冬至、夏至的1天不差，到差1、2、 3、4、5、6、7、8、9天乃至完全不对应，各种情况都有。我们定出差级，无差别为0，日差1～2天为I、日差3～4天为II、日差5～6天为III、日差7～8天及全无对应为IV级。总计统计了27组数据，具体结果见下表。我们将0～II级合并，认为二者相关比较密切，占总数的40.7％；将III~IV级合并，认为二者基本不相关，约占总数59.3％。

 

  我们认为，二者59.3％的相异性证明陶寺的历法20节令不是廿四节气，但是40.7％的相似性表明陶寺历法却应是后来秦汉时期廿四节气的主要源头。廿四节气将陶寺观测太阳视运动的日切定点改为太阳在黄道上运行的点定为节气交节的平气临界点，将太阳回归年平分，每段15天左右，对陶寺太阳历的20节令继承、益损、变化，发展出24节气。  二十四节气意义继承陶寺太阳历节令的有：冬至、夏至、春分、秋分、惊蛰（相当于解冻）、小满（相当于种稻）、大暑（相当于最热）、白露（相当于初露）、大寒（相当于最冷）、小雪（相当于初冻）。  二十四节气新发展出来芒种、小暑、处暑、大雪、小寒4个节气。废除了陶寺历法9月14日没有时令和农时意义的秋祀祭祖宗教节日。

从二十四节气的角度考量，只有新创建的4个节气和1个废除节令是对陶寺历法真正否定，约占二十四节气总数的20.8％，其余的79.2％节气均属于陶寺太阳历法的流变。传统观点认为，秦汉时期成熟的廿四节气起源于黄河流域，流行于黄淮地区。陶寺历法的确定，更证明廿四节气的最初主要源头是黄河中游的陶寺文化。

 

 

三、    关于陶寺观象台实测数据日期误差的分析

 

            图-2  因观测仰角变化而引发的方位角变化

注：陶寺观象台  北纬： 35.879度（35度52分55秒8毫秒）东经：111.508度

 

（一）陶寺观象台观测缝隙中线方位角之确定考虑了观测仰角对观测方位角的影响因素。

按照理论计算，假设观测者在观测点从一个理想的地平线上观测日出，其观测到日出的实际时刻和方位角与理论计算是基本上可以相吻合的。但若因观测点距离参照物山脉较近，且观测仰角呈正值好几度方能看到太阳与参照点相切时，此时实际能看到日出时的方位角与根据观测点经纬坐标所计算出的方位角是不相同的。因为太阳从观测角0度上升到可与参照物相切的仰角时，不但需要一定的时间，而且是沿着太阳视运动的倾斜面上升，此时方位角也发生了变化，每4分钟变化1度。由图-1 可见，从东12缝到东5缝，观测仰角就从1度15分29秒变化到了7度11分56秒，如若不考虑观测仰角对方位角的影响与修正，将会出现很大的误差，此误差远远大于黄赤交角变化所带来的计算误差。按照陶寺时期的黄赤交角23度58分12秒（23.97度）计算：陶寺观象台冬至日出方位角：120.0923度。按照当今黄赤交角23度26分（23.5度）计算： 陶寺观象台冬至日出方位角：119.48度。显然，黄赤交角的变化对日出方位角的影响并不是很大，四千年时间跨度二者仅仅相差0.6123度。当然，这只是理想地平观测的理论计算数据。

 

陶寺观象台海拔高度580米，而距其仅8公里左右的参照物塔儿山脉南北平均海拔大约在800到1000米左右。也就是说当太阳位于与陶寺海拔高度相等的高度时，在陶寺观象台是看不到的，只有当太阳沿着视运动倾斜面上升到可与塔儿山峰相切时才有可能观测到。

若在一个相对理想的的地平面上（观测仰角0度左右）观测日出过程时，日出过程经历的时间跟日出时太阳升起的方向（太阳视运动倾斜面）与地平面的夹角有关,夹角越小(越倾斜),日出时间越长.在赤道上太阳是垂直升起,日出过程最短,需要2分钟左右。笔者认为这个过程在陶寺观象台观测恐怕是体会不到的，因为其观测基点距离参照物只有几公里，且仰角很大，不存在地平线上日出的那个过程了。但应考虑太阳视运动的角速度这个因素对观测方位角的影响，地球各地角速度（两极为零）相等，为15°/小时（每4分钟变化1度）。

那么，在陶寺观测时，只要能测出太阳高度角从0度变化到5度（相当于陶寺观测时的仰角度数）左右所需要的时间，就可求得方位角的差值。 以赤道日出为例，夏至时, 太阳高度角达到45°，所需时间约3小时21分40秒，据此可计算出每分钟太阳高度角变化约为0.223度，那么，仰角若从0度到5度则需要22.42分，方位角变化的数值为5.605度；从0度到1度则需要4.484分，方位角变化的数值为1.121度。

 

1、按照四千年前陶寺时期的黄赤交角23度58分12秒（23.97度）计算：

陶寺观象台夏至日出方位角：59.9077度，而夏至观测缝东12的中线方位角是60度20分54.7秒，说明其考虑到了因山峰仰角对观测方位角的影响1.41^o。陶寺观象台冬至日出方位角：120.0923度，而冬至观测缝东2的中线方位角是125度02分44.2秒，说明其考虑到了因山峰仰角对观测方位角的影响值6.5^o。

2、按照当今黄赤交角23度26分（23.5度）计算：

陶寺观象台夏至日出方位角：60.52度, 修正方位误差值1.41^o后的观测方位角是61.93^o。陶寺观象台冬至日出方位角：119.48度, 修正方位误差值6.5^o后的观测方位角是125.98^o.. 。2014年6月21日夏至与2005年12月22日的实际观测结果：日期误差为0。

3、至于春分和秋分，正常情况下太阳黄经0度或180 度时，无论古今都应在90度方位角观测。但东7观测缝的中线方位角为94度27分52.2秒，说明考虑到了山峰仰角对方位角的影响4.781^o这个误差修正值。但是2005年3月18日对春分的观测和2004年9月25日对秋分的观测都出现了2天的日期误差，对其原因的分析将在下一段落中给出说明。

从图-1所标注的各个缝隙的中线方位角和相对应的山峰仰角与各个节气相应的太阳黄经与日出方位角的关系来看，陶寺时期的观象台在观测缝的选取与定位上，是充分考虑了仰角对方位角影响的这一因素。无论是按照常年实际观测的经验数据，还是经过理论计算，在四千年前能做到如此精确，确实是不易之事。陶寺观象台作为世界最早的天文观象台，当之无愧。

 

四、陶寺观象台所支撑的陶寺历法节令可能是22个节气

何驽教授在《陶寺中期小城观象台实地模拟观测资料初步分析》一文中，根据陶寺观象台近百余次的实测数据并结合24节气的历法，提出了“廿四节气的最初主要源头是黄河中游的陶寺文化”的命题。对此，笔者是赞成的，但对陶寺历法只有“20个节令”的提法，笔者认为有可能大于20个，很可能是22个。

按照太阳黄经从0度到360度的变化规律，是可以计算出并能获得一个回归年内24个节令之观测数据的，但要建造一个能满足观测24个节令日出方位的观象台，那就必须得有13个观测缝才行。

既然陶寺观象台有12个缝隙，那么，理论上就应当能满足22个节令的观测，夏至用一个观测缝，冬至用一个观测缝，春、秋分用一个观测缝，这样二分二至四个节令用了三个观测缝；剩余的九个观测缝至少应能满足18个节令的观测。当然，何教授的推算也是有据可依的，因为他的实际观测数据是通过从东2到东12的11个观测缝所获得的，如此只能获得20个节令的数据。

 

于是问题来了，陶寺观象台的东1观测缝是观测不到日出的，那么，古人建造这个观测缝又有何用途呢？ 十多年前就有所谓观测月象之说，迄今未能见到其可令人信服的观测报告。看来，探讨下东1缝与其他11个缝的相关性是很有意义的。

 

何驽教授在《陶寺中期小城观象台实地模拟观测资料初步分析》一文中指出：“陶寺观象台观测缝冬至东2号缝方位角125°02′44.2″，夏至东12号缝方位角60°20′54.7″，二者之间张角64°41′49.5″，按10个等分。均分夹角为6°28′49.5″，而各缝间夹角与此均分数值相差较大，少则差11′、17′～19′，多则差44′、1°～2°。误差变化呈跳跃式不规则变化。误差十几分可能是建筑技术达不到精确水平所造成的技术误差，但是44′乃至1°、2°的误差过大，恐非技术水平误差所能解释的。”

如果我们把东1观测缝考虑进去，那么，从东1观测缝方位角131^o04^’7^”到东12缝方位角60°20′54.7″，二者之间的张角为：70^o43^’12.3^”。这个张角值大于何驽教授张角值6^o01^’22.8^”。无论是按照10个等分或是11个等分，均分夹角均大于何教授推算的6°28′49.5″这个数值。

 

可见，无论是按照11个观测缝的张角：64°41′49.5^”，还是按照12个观测缝的张角：70^o43^’12.3^”，应当能分别满足20个节令和22个节令一个回归年观测的。但笔者发现这两个张角值的大小，似乎都不太合理。

因为根据理论计算，按照陶寺时期黄赤交角23.97^o, 从冬至到夏至的张角 （120.0923^o - 59.9077^o）为60.1846^o 。按照当今黄赤交角23.5^o, 从冬至到夏至的张角(119.48-60.52)为58.96^o。  显然，上述11个缝和12个缝的张角都大于理论计算的张角值，其差值远远大于黄赤交角变化引起的差值0.6123^o。即便是考虑所谓仰角对观测方位角影响的因素，也不会能使得其具有合理性，特别是70^o43^’12.3^”这个张角值。

根据笔者近年来对洪洞历山、霍州观堆，特别是与陶寺观象台位于同一纬度的圣王山疑似观象点的实际观测，发现张角均小于59度。圣王山从冬至到夏至的张角为58.964^o.，与陶寺相比，无论是64度还是70度的张角，相差都较大。

 

那么， 问题出在哪里？我判断问题就出在70^o43^’12.3^”这个张角值上了。

 

假设，我们可以在东1到东7（春秋分观测线）这个区间内，把东1缝向北移动一定角度值，也就是说，把东1缝放在现在东2缝的位置，依次类推，那么，我们就可以实现12个缝隙的观测了，也就是说能满足22个节气的观测了。如此有可能减少观测日期的误差值和缝间夹角与均分数值差值相对合理的问题，但这需要建立严谨的数学模拟模型，才能验证。

此假设是基于陶寺观象台在四千年的时间里，也许曾经经历过地震、山洪或是局部滑坡的灾难这一前提。如果是因灾害曾引起观象台根基地平面发生过一定程度的局部错位或是位移，那我们今天在历史留给的这个现场上进行测量，恐怕是很难获得理想的结果。

假设，观测缝墙体局部轻微错位或是局部位移曾发生过，因为有12个缝隙的存在，致使在某些方位上的观测仍能获得误差较小的结果，应该也有一定的概率。特别是对于在春秋分观测线上出现两天的误差这个问题，虽然数值不大，换算成方位角也就是0.67^o，但相比于其它节令的观测，这个误差是不应当出现的，因为对古人来说确定南北与东西的方向，并非难事，比确定其他任意方向要容易的多。所以，笔者判断，只有发生局部相对不规则状态的位移，才会出现这种情况，特别是东1缝，估计是出现了向南的位移；而张角的较大数值更是反映了这个坐标系似乎是发生了位移变化。

 

从专家文章中所反映出的几种现象，也可以看出观测缝有偏移的端倪：

 

1、“夏至太阳位于E12缝右部”、  “黄赤交角变化导致今天日出位置较四千年前南偏”。

2、春分前两天，太阳“位于东7号缝中略偏南一点的位置”。

3、冬至。8时18分，太阳在2道缝的北侧，太阳逐渐离开山头，8时20分‘进入’2号缝中。

4、观测日期与邻近节气的平均误差为4.5日。

 

其中2、3两条含有观测缝向南偏移的意思，1含有观测缝向北位移的意思。

 

笔者认为，所谓黄赤交角变化，远日点与近日点太阳视运动的移动速度快慢问题，恐怕都不是造成陶寺观象台观测日期出现较大误差的根本原因。但是否与位移相关，恐这有赖于考古工作者对观象台土层结构、板块位置进行再分析，也有赖于天文、地质、水文、地震等多学科的专家介入研究。

 

本文仅是笔者的一个主观猜想和判断而已，旨在能为专业工作者提供点开阔思路的线索，尚有不妥之处，谨请赐教。

 

 

                                                        2018.3.24

于平阳