2月29日是闰日，那么闰日背后隐藏了什么科学事实呢？

每四年一次，至少在大多数情况下，人类会在我们的日历年中增加一天来帮助保持时间：闰日。2月29日是一个很少给我们的生活增色的日子，但却扮演着一个极其重要的角色：在很长的时间里保持我们的年历和季节的交替。尽管有一个奇怪的历史渊源和一系列围绕它的城市传说，但“闰日”的存在是出于科学而非迷信的原因。

• 图注：2月29日，发生在2020年的一个周六，被称为闰日。但它并不像一些人所想的那样每四年发生一次，它对于保持我们的历法和地球太阳系在数百年和数千年中的一致性具有极其重要的意义。

如果没有闰日，地球的物理学将很快导致季节与我们的年历不同步，而分点和至点将在天、月和季节之间漂移。事实上，如果我们每四年一跃而过，事情也不会很顺利。只有我们正确地解释了地球绕太阳的轴向旋转和公转，我们才能保持日历的正确性，这就是闰日的意义所在。在闰日的背后，有八个大家都应该知道的科学事实。

• 图注：地球绕太阳轨道绕飞行一次行程为9.4亿公里。地球每天在太空中行驶的300万公里，确保了在我们的轴上旋转360度不会使太阳每天恢复到天空中相同的相对位置。这就是为什么我们的一天比23小时56分钟长，这是旋转360度所需的时间。

1.）每天实际上并不是24小时。

地球的运动包括两个基本部分：我们绕轴旋转的运动和绕太阳旋转的运动。 通常，我们认为轮换持续24小时，这就是为什么一天是24小时，而我们绕太阳一圈需要365天，这就是为什么一年长达365天的原因。

只是，这些影响是不可分割的，因为两种运动总是发生的。如果地球是完全静止的，保持在同一位置，那么整个360°的完全旋转就等于一天。但360度的旋转并不是一天的事：它比两个指标稍微少了一点。首先，地球旋转360度只需23小时56分4秒。但是第二，由于地球在绕太阳运行的轨道上通过太空，它必须额外旋转一点，才能将太阳定位在与前一天相同的相对位置。这额外的一点所需的运动是什么，平均每天，24小时。

• 图注：时间方程由行星轨道的形状和轴向倾斜以及它们如何对齐决定。在最接近六月冬至的几个月（当地球接近离太阳最远的位置）时，它移动得最慢，这就是为什么这一部分的八字线被挤压，而12月的冬至，发生在近地点附近，是拉长的。
  

2.）有些日子实际上比其他日子更长。

你是否曾想过为什么最早的日出和最新的日落在夏至时不发生，为什么最晚的日出和最早的日落与冬至不一致？这是因为地球绕太阳公转是椭圆的，这意味着当地球离太阳最近时（近日点），它以最快的速度移动；当地球离太阳最远时（远日点），它以最慢的速度移动。

再加上近日点/远日点与至点或分点都不一致，你会发现有些日子少于24小时，而有些日子则更多。我们习惯的一天24小时只是一年中所有日子的平均值，即使是这样，它们也不是很完美。

图注：在365天的过程中，太阳似乎不仅在天空中上下移动，由我们的轴向倾斜决定，而且由我们围绕太阳的椭圆轨道决定。当两个效果结合在一起时，结果的捏合图-8被称为八字形。这里展示的太阳图像是从塞萨尔·坎特在一个日历年内在墨西哥的观测中精选的 52 张照片。请注意，如果我们没有正确解释时间，八字形将年复一年地改变位置。

3.）地球绕太阳旋转一圈的总和不等于日历年。

在天文学中，如同在数学中一样，一次完整的旋转被定义为地球回到它360°轨道之前在太空中所占据的相同位置。在天文学中，这就是我们所说的恒星年，也就是地球回到它先前相对于太阳的相对位置所需的时间。

但是，恒星年与日历年（也称为热带年）不同。地球绕太阳公转时会绕其轴旋转，并且该轴会随着时间推移而进动，这意味着当地球完成与前一年的一次天文学公转时，其相对于太阳的方向会略有不同。恒星年与日历年之间的差异仅20分钟左右，但这意味着一个日历年（这是您使季节排列所需要的）实际上比围绕太阳的完整公转要短20分钟。

• 图注：就在800年前，近日点和冬至对齐。由于地球轨道的进动，它们正在缓慢地漂移，每21000年完成一个完整的周期。5000年后，春分和地球最接近太阳的时间将重合。这是一个微小而微妙的影响，从24小时到一天的精确长度，它造成了另一个微小的偏离，当与地球在其轴上的旋转运动和围绕太阳的轨道运动相比，它是微不足道的。
  

4.）地球的轴向旋转、轨道旋转和进动的综合作用，使一年中的天数不均匀。

现在我们开始讨论有趣的事情。如果你尽我们所知去计算，你最终会发现在一个真实的日历年(回归年)里有365.242188931天。如果我们每年都有365天，那么每过一个世纪，我们的日历都会有整整一个月的时间不正常。

如果我们每四年增加一个“ 闰日”，则每年需要365.25天，这非常接近但不太正确。实际上，这就是我们遵循了大约1600年的旧儒略历所做的工作。到1500年代后期，这种差异非常明显（我们的日历减少了大约10天太多），以至于需要修改日历。

在意大利，波兰，西班牙和葡萄牙，1582年10月5日至14日的日期不存在。其他国家在后来的日期跳过了这10天；艾萨克·牛顿（Isaac Newton）在圣诞节那天出生于英格兰，只是因为他们没有在1642年之前就跳过这些日期。在世界其他地方，牛顿出生于1643年1月4日。

• 图注：尽管许多国家在1582年首次采用公历，但直到18世纪英国才采用公历，许多国家甚至在更晚的时候进行了转换。
  

5.）公历（阳历）非常适合闰日。

我们用自然联合运动的要求来弥补日历年的不匹配的方式是出色且相对简单的：

• 被4整除的每一年都是闰年，

• 除非它也可以被100除而不是400整除，在这种情况下，这不是闰年。
  

这意味着2004、2008、2012、2016、2020等都将是闰年，因为它们都可以被4整除。但是，如果年份是世纪之交，如果它也可以除以400，那它就是闰年。2000年是闰年，但1900年不是闰年，而2100年不是。总而言之，采用公历，由于公历的历年平均长度与回归年只有26秒之差，要累积3300年才差一日。

• 图注：月球对地球施加潮汐力，这不仅引起我们的潮汐，而且会导致地球自转的制动，以及随后周期的延长。地球的不对称性，再加上月球引力的影响，导致地球上一天的长度随着时间的推移而延长，月球从地球向外盘旋。

6.）从长远来看，我们将需要再次更改日历。

如果一切都保持不变⁠–我们的旋转速度，轴向倾斜的方向以及我们绕太阳的轨道运动⁠–该日历实际上是完美的，但仅目前如此。每次发生地震时，我们的自转速度都会略微加快，但是这种影响会被日月在地球上的引力作用所淹没，这会使我们减速。

这种减速效应被称为潮汐制动，每年平均耗时14微秒。这似乎可以忽略不计，但是随着时间的流逝，它的确增加了。如果我们检查一下很久以前潮汐在土壤上的印记，即所谓的潮汐节律，我们就可以算出地球的自转速度。 6.2亿年前，就在寒武纪爆炸发生之前，我们的一天只有不到22个小时的时长，这意味着当地球首次形成时，我们的一天只有6到8个小时。天数的延长意味着，随着时间的流逝，完成一个日历年的时间将越来越少。

• 图注：岩石记录的潮汐的节律，可以让我们确定过去地球的自转速率。 在恐龙时期，我们的一天接近23小时，而不是24小时。数十亿年前，在月球形成后不久，一天接近6至8个小时，而不是24个小时。
  

7.）在四百万年中，闰日将是不必要的。

随着几千年的过去，潮汐制动的这种异常缓慢的效应将开始变得重要。虽然现在，我们只是每18个月左右增加一个闰秒来适应它，但这一天仍在延长。在地球上又过了400万年之后，这一天将再延长56秒：一个日历年所需的确切时间是365天。

到那时，我们将要首先减少闰日的数量，然后完全删除它们，因为它们将完全不必要。 如果人类仍然存在并且保持日历，那么我们将考虑进一步的过渡，因为我们将需要开始跳过几天，以使我们的季节与 我们的日历。

• 图注：虽然今天大约一半的日食在自然界是环食，但地球与月球距离的增大意味着在大约6亿至7亿年的时间里，所有日食都将是自然类的环食。
  

8.）地球月球系统的最终命运将与我们今天所经历的完全不同。

随着潮汐制动作用的继续，不仅地球的自转会减慢，而且月球会慢慢地从地球上旋离。再过几亿年（但不到十亿年），月球将离地球如此遥远，不再有日全食；它们都将是环形的。

假设我们在太阳转变成红巨星和行星状星云/白矮星组合的过程中幸存下来，那么地球和月球的轨道周期都会延长直到匹配为止：直到它们都采取大约47个我们现代的日子，这将发生约500亿年的未来。与月亮的同一面总是指向旋转的地球不同，月球和地球将相互锁定，就像冥王星和冥卫一今天彼此在一起一样。

• 图注：冥王星和冥卫一系统的一个模型显示了两个主要质量彼此围绕轨道运行。“新视野”号的飞行表明，冥王星和冥王星的卫星都不在它们相互轨道的内部，并证实了它们之间的相互潮汐锁。
  

我们都应该意识到闰日的必要性；没有闰日，地球的季节、分点和至点都会随着时间而改变，而不是年复一年地落在同一天。但是，同时，我们也应该认识到，一天的长度不是恒定的，正如一年中的天数不是恒定的一样。随着时间的推移，地球自转的速度继续减慢，我们需要越来越少的天数来组成一个完整的日历年，这意味着我们需要一个不断变化的日历系统。

但现在，特别是在人类一生的尺度上，公历——公历——闰日每4年发生一次，但在不能被400年间隔整除的世纪上——将大有作为。享受你今年的额外一天，你认为合适，并记住，没有这些闰日，我们的日历根本不会累积加起来。