两个初中地理学过的背景知识：
-
地球按纬度和太阳辐射特点划分为热带、温带和寒带。
南北回归线（约23.44°）之间为热带，太阳直射点一年中会在这一区域南北移动，因此一年内至少有一次太阳能够直射地面。
南北极圈（约66.56°）至两极为南北寒带，由于地球自转轴倾角约23.44°，这里每年至少会出现一次极昼和极夜。
回归线与南北极圈之间为南北温带，太阳始终不会直射头顶，也不会出现极昼、极夜。 -
中国领土最北端位于黑龙江省漠河市北部的黑龙江主航道中心线（约北纬53°33′），最南端在南沙群岛的曾母暗沙附近海域（约北纬3°58′）。
北回归线穿过中国的云南、广西、广东、台湾，也就是说中国绝大多数领土都位于北回归线以北的北温带。
一、夏至与冬至的发现
古代没有现代意义上的钟表，也没有能够直接计算太阳位置的天文模型，但太阳每天都会留下一个非常稳定的“痕迹”：影子。
古人竖立一根杆，利用太阳照射产生的影子进行测量，这套装置称为圭表。
每天正午测量表影长度（就是一天中影子最短的时候），会发现一个非常明显的周期：
- 进入夏天之后，太阳逐渐升高，正午影子越来越短，直到某一天，影子达到全年最短；
- 随后太阳逐渐降低，影子重新变长，到达冬天的某一个时刻，影子达到全年最长；
- 然后再次变短，循环往复。
对太阳周年运动的长期实测，我们的古人发现太阳的运动存在一个稳定的年度周期，然后将其中正午日影最短的那天称之为夏至，正午日影最长的那天称之为冬至。
这两个节点非常重要，因为它们可以帮助古人确定“一年”的长度。
PS：2003年，中国考古人员在山西襄汾陶寺遗址发现了一处距今约4100年的古观象台，属于新石器时代晚期的陶寺文化。遗址中发现13根夯土柱，柱间形成12道观测缝。站在固定位置，通过这些缝隙可以观察东方不同位置的日出。由于太阳日出方位会随季节发生规律性的南北移动，陶寺先民可以据此判断冬至、夏至以及春秋分等重要季节节点，并进一步划分一年中的不同节令。
从现代天文学来看，夏至和冬至就是一个天文事件：
- 夏至时，太阳到达一年中最北的位置，太阳直射点位于北回归线附近，北半球迎来一年中白昼最长的一天。
- 冬至时，太阳到达一年中最南的位置，太阳直射点位于南回归线附近，北半球迎来一年中白昼最短的一天。
一个常见误区是：二十四节气是根据首都的天文观测确定的，因此不同地方的节气应该有所不同。
其实并不是这样。正如前文所说，节气本质上是太阳周年视运动中的24个特定位置，是客观的天文现象，并不会因为政府所在地不同而改变。不同地区只是因为经度和时区不同，钟表显示的时间有所差异。
北半球的中国和南半球的澳大利亚是同一天迎来夏至，不同的是，中国此时进入夏季，而澳大利亚进入冬季。
天文事件是固定的，只是名字是按照我们这边的季节为基准命名的。
不过有一点，中国古代主要依靠圭表测量日影来观测太阳运动，这种方法确实与观测地点的纬度密切相关。
由于中国古代主要观测区域位于北回归线以北，在所有这些地方，正午日影达到全年最短的那一天是相同的，就是夏至那天。
如果当时的都城位于广州附近（热带地区），情况就会复杂一些，太阳一年中可能两次经过当地上空，全年正午日影最短的时刻并不等于夏至。
二、从冬至、夏至到二十四节气
中国制定二十四节气的目的就是为了指导农业生产，只有知道一年中的两个节点是不够的。
于是，人们进一步把太阳周年运动划分成更多阶段，最终形成了二十四节气。
古代很长时间采用的是平气法，也就是将一个回归年的长度平均分成24份，每两个节气之间大约相隔15～16天。
现在我们知道，地球绕太阳运行的速度并不是完全均匀的。由于地球运行轨道是椭圆，地球在近日点附近运行较快，在远日点附近运行较慢。
地球通常在 1 月初经过近日点，接近北半球冬至；在7月初经过远日点，接近北半球夏至。
冬至附近地球公转速度较快，因此节气之间的时间间隔较短；
夏至附近地球公转速度较慢，因此节气之间的时间间隔较长。
而季节变化与太阳在天空中的高度、昼夜长短以及太阳辐射入射角密切相关。平气法虽然便于计算，但由于它平均划分的是时间，而不是太阳实际运行的位置，因此节气时刻与太阳周年运动并不能完全对应。
明清之际，随着西方天文学和数学方法传入中国，中国历法逐渐转向定气法：不再简单地把一年平均分成24份，而是按照太阳在黄道上的实际位置确定节气，即太阳黄经每变化15°，进入下一个节气。这种方法能够更直接地反映太阳周年运动，也成为现代二十四节气计算的基础。
地球通常在 1 月初经过近日点，接近北半球冬至；在7月初经过远日点，接近北半球夏至。因此，冬至附近地球公转速度较快，节气之间的时间间隔较短；夏至附近公转速度较慢，节气之间的时间间隔较长。
三、二十四节气和农历的关系
中国古代历法（即农历）属于阴阳合历，月份主要依据月亮的朔望变化确定（29.5 天），同时又要通过太阳运动保持季节与月份相协调。
如果不用二十四节气订正，那么一年 12 个朔望月只有354天，比太阳回归年少约 11 天，这个偏差太大，会直接导致月份与季节错位。
二十四节气对应太阳回归年，因此正是连接两者的关键，将月份体系锚定到太阳所决定的四季周期上。
古人将二十四节气分成两部分，其中 12 个为“节气”、12 个为“中气”。历法通过中气确定月份与季节的对应关系，并以没有中气的月份设置闰月，从而弥补农历年约 354 天与太阳回归年约 365.24 天之间的差距。
因此，二十四节气既服务于农业生产，也构成中国传统阴阳合历的重要时间框架。
四、现代天文学如何确定节气？
现代已经不需要等到夏至当天去测量日影，而是可以根据精密的天文模型直接计算太阳的位置。
从现代天文学的角度看，二十四节气就是太阳周年视运动上的24个特定位置。一年360°，每隔15°设定一个节气。
确定节气的核心参数是太阳地心视黄经。以春分点为0°，太阳沿黄道运行，每增加15°便进入下一个节气：
- 立春：315°
- 雨水：330°
- 惊蛰：345°
- 春分：0°
- 清明：15°
- ……
- 夏至：90°
- ……
- 秋分：180°
- ……
- 冬至：270°
- ……
计算这个时刻，需要建立精密的天文模型，考虑地球公转、地球自转以及天球参考系等因素，并使用统一的时间尺度进行计算，得到全球统一的天文时刻。
之后，再根据观测地点的地理经度和所在时区，将这个时刻转换成当地钟表时间。
