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中国古代气象测量科技含量惊人

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发表于 2022-4-24 23:37:41 | 显示全部楼层 |阅读模式

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最古老的观星台

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“四柱不地”

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古时“以瓢为海”所用的瓢



中国是世界上最早进行观云测天的国家之一。早在3000多年前我国殷代甲骨文中,已有表达风、云、虹、雨、雪、雨夹雪等大气现象的文字记载。中国古代气象观测的科学和技术一直处在世界领先水平,对世界气象科学的形成与技术的发展作出过历史性的重大贡献。

由清华大学出版社出版发行的《一只早飞千年的鸟》多角度地讲解了中华文明和科学技术碰撞出的气象领域的伟大成就。中国气象局大气探测中心主任李良序认为,这本书中所呈现的饶有趣味、图文并茂的中国古代气象科技,以及全人类认识天气过程中的先进与智慧,会让今天身处更先进世界科技时代的人们也感到“惊艳”。

其实,2022北京冬奥会开幕式上惊艳世人的“24节气”只是我们耳熟能详的部分,中国古代还有很多气象测量手段,“科技含量”都十分惊人。

“二十四节气”之外还有各种“神器”

“二十四节气”是中国古人通过观察太阳周年运动,认知一年中时令、物候等方面变化规律所形成的知识体系和社会实践的一种表现形式。《淮南子》中有关于二十四节气的完整记载。

“二十四节气”有的反映四季变化,如立春、秋分;有的反映温度变化,如小暑、大暑;有的反映天气现象,如雨水、白露;有的则反映物候现象,如惊蛰、清明。

2016年,中国申报的“二十四节气——中国人通过观察太阳周年运动而形成的时间知识体系及其实践”,成功列入联合国教科文组织人类非物质文化遗产代表作名录。北京冬奥会开幕式上“二十四节气”的呈现,更是惊艳世人。

但作为中国人,除了“二十四节气”,还应该知道,我们的历史上还有许多与天象有关的记载。诸如最早的风向标“候风之羽”、测风神器“相风铜乌”,测量雨量的工具天池盆、圆罂,还有从“琴弦测湿”到“挂炭天平”再到“鹿筋吸湿”等各种观测和测量风、雨、雷电、温度、湿度和古气象台等各种装置和气象测量科技手段。

公元前1050年前后,西周周文王在丰京(今西安)附近的灵囿(中国最早的皇家园林)内修筑灵台,用于祭祀、观天象及游乐。这一处遗址也被认为是现在最古老的天文遗址之一。灵台就是我国最早的国家天文、气象观测机构的统称,又称为“司天台”。

东汉的科学家张衡曾先后两次参与灵台的天象观测和天文研究,他的天象观测比哥白尼要早1000多年。只可惜东汉的灵台最终毁于西晋末年,地动仪、浑天仪等科学仪器被以铸造铜钱为名,烧毁在冶炼炉中,这无疑是中国科技史上的一次巨大损失。

如今在世界各地我们都可以看到古代天文和气象观测的遗址。但中国国家级文化遗址之一的北京古观象台仍被认为是世界上现存最古老的天文台之一,是古代天文、气象一体的最后一处观象台,自此之后天文和气象才逐渐分为两支。但这里也历经劫难,曾摆放在这里的赤道经纬仪、黄首经纬仪、地平经仪等8架古代观象仪器都曾被外来入侵者劫走,后来才归还,如今有七件仪器分别陈列于紫金山天文台和南京博物院。

最早的风向标

在殷商时期甲骨文的碎片上,可见到“风”字假借为“凤”字,先民认为,风是让鹏鸟展翅的来自天空的力量。到战国时期,古人对风的认知又发生了变化,《庄子·齐物论》里就有“夫大块噫气,其名为风”的描述。篆文里的“风”已没有了甲骨文中鸟的形态,却强调天宇中与云、气相似的物质状态,这已经无限接近现代科学对风的注解了。古人常以占卜测风决定出行、战争等事宜,正是这些对风的流动特性的认识,促成了风向标的发明和使用。

风向标被称为候风或相风。研究人员在殷墟卜辞中发现了“伣”字,也有认为是“綄”字,其实就是指长杆上系以帛条或乌羽而成的简单风向标。许慎《淮南子》注曰:“綄,候风也,楚人谓之五两也。”“五两”指的就是用五两(或八两)重的鸡羽毛制成綄挂到旗杆上,有一点点风动,綄也会动。所以后来就有了“候风之羽”的说法,北周庾季才编撰的《灵台秘苑》一书讲了“候风之羽”的原理,它就是一种简易的风向标。

但古代风向标的真正主角,还是对后世气象仪器有深远影响的相风铜乌。这是一种改进式的相风木鸟,即把木制相风鸟胸部连接转枢,转枢插入一空心木管顶着的圆盘中心。在风吹时,木鸟转动就会带动转枢在圆盘下的空木管内转动,便能测风向、气候动向。英国著名科学史家李约瑟曾指出,相风鸟“可能是现代四转杯风向风速仪的先驱”。

中国现存最早的风向标,是隐于山西省大同市浑源县的圆觉寺内一座砖塔顶部的铁质鸾凤风向标,存世800年仍未曾生锈。它并不带动转枢,而是绕固定的塔杆回转,风吹鸾凤,凤头所指方向即可看出风向。其设计之独创性,古今罕见。据专家考证,鸾凤风向标是现存最早、全国唯一的古塔风向仪实物,极为珍贵。

现存最早的标准制式雨量器

汉语中有不少词语形容雨量的大小,瓢泼大雨、倾盆大雨等,都能佐证古代曾有过各种雨量器。《前汉东方朔传》中有“以瓢为海”“以蠡为海”字样,这里的瓢是指剖开葫芦做成的舀水、盛酒的容器,蠡是指蠡升,指容量为一升的瓢。普遍认为,这些词语中的瓢、盆皆在当时起到过雨量器的作用。

雨量器是起什么作用的呢?“水旱,天时也”,雨水即是“天时”中最重要的内容,古人祭祀最喜欢祈祷的就是“风调雨顺”,因为雨水可浇灌农作物,雨量多少制约着农业生产发展水平,所以需要“占雨”。这时统一制式的雨量器成为迫切需求。

目前世界上现存最早的标准制式的雨量器,是乾隆年间颁发出去的,韩国大邱、仁川等地仍有保存,其中一个安置于一块刻有“乾隆庚寅年五月造”的石台上,圆筒用黄铜制造,外壁上刻有“锦营测雨器,高一尺五寸,径七寸,道光丁酉制,重十一斤”,筒底上则刻有“入番通引,及唱,次知使令”字样。这种雨量器与现存气象台站使用的雨量器相仿。

南宋词《数书九章》中提到“天池测雨”,所描述的“天池盆”则被认为是中国古代最早被记载的雨量器之一。它在方法上也是采取“平地得雨之数”,以此来度量雨水,堪称是世界上最早的雨量计量方法。

我国还发现一本摘自古书看天经验的专辑书册《相雨书》,它被称为中国古代第一部预测类气象典籍,也是迄今为止人们见到的、世界气象科学史上早期总结天气经验的书籍。可惜的是,这本书我们不能确定其真正的作者,只能推断它可能是隋末唐初年间,一个叫黄子发的人编撰了此书。但其中所记载的很多“看天经验”,至今仍很有参考价值。其中还首次将通过“二十四节气”预测天气的气象理论述诸笔端。

避雷针的雏形是“鱼尾铜瓦”

大多数人都知道避雷针的发明者是本杰明·富兰克林,却可能不知道中国古代有一种“鱼尾铜瓦”,也是可以防止雷电所引起的天火的。

汉武帝时期,柏梁殿因雷电引起火灾。重修后,汉武帝担心再次发生雷灾,于是接受了一个方士的建议,将一块鱼尾开关的铜瓦放在屋顶上,认为这样就可以防止雷灾。这个鱼尾铜瓦就是以鸱尾为形的避雷针的雏形。后有宋人在《太平御览》一书中记述:“唐会要目,汉相梁殿灾后,越巫言,‘海中有鱼虬,尾似鸱,激浪好难降雨’,遂作其象于尾,以厌火样。”文中所说的“鱼虬”就是“螭吻”的前身。螭吻在民间也称鳌龙,属水性,被认为能作镇邪避火之物。在已经出土的文献与一些汉代的泥塑等资料来看,汉代建筑已普遍使用鸟形、鱼形的鸱吻装饰物了,后来还在不断变化造型,但它们共同的特点是会有几条铁制的尖端物刺向天空,都可以用以避雷、防雷。

1688年,法国旅行家卡勃里欧别·戴马甘兰写的一本《中国新事》书中,就提到过一个细节:“中国屋脊两头,都有一个仰起的龙头,龙口吐出曲折的金属舌头,然后沿着铁丝导入地下,从而避免雷电击毁建筑物。”这样的表述与演变,让鸱尾与现代避雷针有了连接。

在宋、元、明、清的建筑物中,更为广泛使用的避雷神器却是“雷公柱”。它也是我国古代应用最为广泛的避雷装置。它是用在庑殿顶和攒尖顶两种建筑中一根形体较短小的柱子,它们通常是用一些特殊的木材,如有较好导电性的楠木、松、柏等制成,也有用金属的。

有两个例子堪称中国建筑史上的奇迹:一是广东肇庆的德庆学宫,它打破了传统厅堂那种“八柱撑空”的木梁架结构,采用了“四柱不顶”的独特设计那四根不到顶的圆木柱,就是“雷公柱”的一种用法;另一个是广西容县“四柱不地”的真武阁,它全木质结构,历经四百余年无数次雷电洗礼,还有5次大地震、3次10级以下的台风等,依然与初建时无差,甚至至今都没有做任何大的修缮。最令人惊讶的就是真武阁二楼的四根悬空立柱,利用杠杆式斗拱平衡阁楼整体结构,一能抗震抗台风,二是完美消除“跨步电压”的风险,也增加了避雷的功能。

链接 世界各地的天文和气象遗址

○爱尔兰纽格莱墓  

爱尔兰纽格莱墓大约建造于新石器时代的公元前3200年。心形的墓堆由97块镶边石块围成,每块石块上都雕刻有谜一样的图案。冬至那天黎明,会有一束阳光穿过顶部开口射入墓室,这一现象会持续17分钟左右。

有一圈竖立的巨石共12块围绕着整个墓堆,它们的用途至今无法明确。天文学家普遍认为它有天文用途。  


○英国巨石阵

位于英国伦敦西南100多千米的巨石阵,是欧洲著名的史前时代文化神庙遗址。考古学家发现,巨石阵比较准确的建造年代是公元前2300年左右。巨石阵不仅在建筑学史上具有重要地位,在天文学上也同样有着重要意义:它的主轴线、通往石柱的古道和夏至日早晨初升的太阳,会在同一条线上;另外,其中还有两块石头的连线指向冬至日落的方向。因此人们猜测这很可能是远古人类为观测天象而建造的,可算是天文台最早的雏形。

○秘鲁石塔

大约建于公元前300的查基洛遗址上,存在着美洲最为古老的太阳观测台。2007年的一项研究显示,秘鲁查基洛观测台可能是西半球最古老的太阳观测台,其历史可追溯至公元前300年。查基洛的13座石塔上的拱弓是用于太阳观测的,是秘鲁卡马塞钦洒流域祭祀中心的一部分。东西两边的地点有已知的祭祀物装饰,是可能的观测场所。

来源:羊城晚报
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