上回講到[1],為滿足遠洋航行的需要,英國人發明了航海鐘,幫助船長準確掌握船隻的經度,確保航行安全。雖然航海鐘已經非常準確,但亦需要定時作出校正。這就要依賴各大主要港口所提供的時間球服務。

天文台如何測定時間?
在香港肩負這個重要責任就是香港天文台,它於1883年成立時主要目的正是利用中星儀(transit instrument)(圖1)作天文觀測來測定「地方時」〔local time〕。簡單來說,當太陽經過某地方的正南或正北[2]時,就是當地正午,這是日晷(圖2)的基本原理,所量度的時間稱為「視太陽時」(apparent solar time)。不過,視太陽時欠缺均勻性。這是由於地球圍繞太陽的軌道並非圓形,其運行速度會隨著地球與太陽的距離改變而出現變化,再加上地球自轉軸傾斜的影響,因此必須採用一種較有均勻性的「平太陽時」(mean solar time)。大家所熟識的「格林威治平均時間」(Greenwich Mean Time)就是皇家格林威治天文台艾里中星儀(Airy Transit Circle)經度(即上次提及的「本初子午線」的經度)的平太陽時。同樣地,香港天文台開台初期所提供的時間服務是基於天文台中星儀經度的平太陽時,這個經度就是本文主角 ─ 香港子午線。


圖1:特羅頓和辛姆斯(Troughton & Simms)製直徑3吋的中星儀:香港天文台早期使用同類型中星儀作觀象授時服務,可惜在二戰期間失去。〔圖片來源:奧維爾園天文台[3]〕


圖2:位於北京故宮的赤道日晷。〔圖片來源:維基百科[4]〕

香港天文台於1884年在尖沙咀水警總部旁興建時間球塔〔圖3〕,當年的時間球直徑達6呎,懸於時間球塔塔頂上的桅杆,為來往香港的船隻提供準確的報時服務。


圖3:位於尖沙咀水警總部的第一代時間球塔。塔旁可見用來懸掛風球的信號杆。〔圖片來源:岑智明〕

時間球塔在1885年1月1日開始投入服務,於每日下午12時55分,在水警總部的人員協助下,將時間球升至塔上桅杆的一半高度,然後於下午12時57分將時間球升至桅杆的最高點,最後於下午一時正由天文台總部的標準時鐘通過電路控制時間球降下(圖4)。


圖4:天文台於1885年1月1日在香港憲報公佈的時間球服務。公告中提及的Hongkong Civil Time(香港民用時)即是香港的平太陽時〔圖片來源:香港大學圖書館〕

那麼,天文台是如何使用中星儀準確測定「平太陽時」呢?首先,上回講到,要在海上準確測定船隻的經度就必須要利用天文觀測確定當地的時間[5],其實反之亦然:如果我們已經掌握當地的經度[6],我們便可以利用中星儀觀測特定的恆星越過天頂的時刻來測定當地時鐘的準確度。因為地球自轉的關係,對於在地面的觀測者來說,天上恆星都是圍繞著「天球」(celestial sphere)北天極旋轉(圖5),那麼只要在天文年曆翻查某一顆恆星在天球上的位置,便可以得知該恆星在什麼時間越過觀測者子午線的正南或正北。不過,由於地球也圍繞著太陽公轉,從以上方法得出的「恆星時」(sidereal time)與「平太陽時」在每一天會有約4分鐘的差別,所以天文台還需要把「恆星時」轉換為「平太陽時」才能得出香港民用時。當然,進行天文觀測還需要天公造美,所以天文台也不是每一天都可以做到天文觀測,例如在1885年天文台只能做到313次中星儀觀測。


圖5:因地球自轉,在天球上的恆星相對地面上的觀測者圍繞北天極旋轉〔圖片來源:大英百科全書〕

香港子午線如何制定?
從(圖5)看到,子午線只是在虛擬天球上的一條將其一分為二的虛擬曲線,大家可能會問:那麼在格林威治皇家天文台的本初子午線和在香港天文台的香港子午線是如何制定呢?根據香港天文台文獻[7],香港子午線最早由兩個子午線標記定義,一個位於天文台中星儀室(圖6)正北約70呎的石柱(「北石柱」)上,另一個位於天文台中星儀室正南11354呎,在灣仔半山的石柱(「南石柱」)上。兩個標記在1884年設立。


圖6:攝於約1905年的香港天文台,主樓旁可見中星儀室。〔圖片來源:岑智明〕

兩支石柱上都設有十字形標記(北石柱)或貫穿兩個圓形的垂直一字形標記(南石柱),目的是讓中星儀能夠憑瞄準兩個標記而保證對準南北方向,把測定時間的誤差減至最低。當年觀象授時的平均誤差在0.2秒以下,以當時科技水平是極為準確的。

世界知名的天文台都設有子午線標記。(圖7)及(圖8)分別可見英國格林威治和法國巴黎的子午線標記。


圖7:格林威治的子午線標記。(圖片來源:格林威治皇家天文台[8])


圖8:法國巴黎的子午線標記。(圖片來源:維基百科[9])

第一塊魔法石
還記得當我開始研究天文台歷史,也對這兩個香港子午線標記有些印象,但我從沒有想過,這兩支石柱在130多年後的今天仍然「健在」,而且還能找到!這個尋找香港子午線「魔法石」的故事始於2016年2月2日,當天早上,香港海事博物館前總監史提芬戴偉思博士(Dr Stephen Davies)來到香港天文台考察一支位於天文台百週年紀念大樓門外的石柱(圖9)。雖然在石柱上找不到文獻記載的十字形標記,他認為這石柱就是北石柱。我半信半疑,因為自從我入職天文台後,所有同事都說這石柱以前是用來綁風球的 ─ 在未興建百週年紀念大樓之前,石柱旁邊就是掛風球的信號桿,而且石柱上更有一個像牛角形狀的鐵鉤(圖10),鉤上還繫有一截鐵鏈,所以我從沒有懷疑這個說法。


圖9:天文台百週年紀念大樓門外的石柱,原來就是北子午線標記。(圖片來源:香港天文台)


圖10:石柱上的牛角形狀鐵鉤,鉤上還繫有一截鐵鏈。(圖片來源:香港天文台)

可是,當戴偉思和我們做了一些量度之後,發現石柱確是位於舊中星儀室以北約70呎,於是我們翻查天文台的舊地圖,竟然在其中一張地圖上同一位置發現了北石柱(圖11),證據確鑿!再翻查天文台老照片也發現北石柱與中星儀室和在天文台主樓前面的一個三角網測站成一直線(圖12)。這個三角網測站一向是天文台經緯度的原點(圖13),但它原來也與香港子午線關係密切,容後再講。


圖11:1983年的天文台地圖,在百週年紀念大樓門外可見“North Mark”(北標記)。(圖片來源:香港天文台)


圖12:1951年的天文台高空照片,可見北石柱與中星儀室和三角網測站成一直線,掛風球的信號桿也在北石柱旁邊。(圖片來源:香港天文台)

圖13:安裝在天文台總部三角網測站(右)上的牌匾(左),寫著天文台的經緯度及高度,建立日期為1953年7月。(圖片來源:香港天文台)

第二塊魔法石
找到第一支石柱之後,戴偉思和我在當天已經通過電郵討論南石柱的所在。我們把唯一掌握的資料:南石柱位於天文台中星儀室正南11354呎,放在谷歌地圖上可以看到標記應該在灣仔寶雲道附近(圖14)。不過,經過百多年,漫山都長滿了樹木,要找到這支幾尺丁方的石柱談何容易?戴偉思和我先後去過寶雲道探索,但發現附近曾於2005年發生過山泥傾瀉,也在近年做過一些斜坡鞏固工程和防洪工程(圖15),因此石柱被山泥沖走甚至在工程施工時被移走都有可能。


圖14:南石柱的大概位置,在灣仔寶雲道附近。(圖片來源:谷歌地圖)


圖15:寶雲道一帶在近年做了一些斜坡和防洪工程。(圖片來源:香港天文台)

好容易一年過去,我們都未有發現。機緣巧合,我在2017年2月與一些收藏家朋友在中央圖書館做展覽,一位認識了不久的地政處測量師葉贊邦先生到來參觀,傾談間我提起找尋南石柱的事,同時詢問他關於天文台三角網測站的歷史,希望他能夠協助。出乎意料,在同年7月12日收到了喜訊 ─ 他找到了南石柱[10](圖16)!


圖16:葉贊邦在2017年7月12日傳來的南石柱照片。(圖片來源:葉贊邦)

那麼,葉贊邦如何從大海撈到針呢?原來他有秘密武器 ─ 高空照片:(圖17)清楚顯示在1968年的高空照片(左)出現一個方形物體,似乎是一個人造的構建物,它同樣出現在1976年的高空照片(右)內同一個位置,但已經有一半被樹木遮蓋。於是葉贊邦在高空照片上準確定位後便能夠在寶雲道山坡上找到石柱。


圖17:1968年(左)及1976年(右)的高空照片 ─ 紅色方格為黃色箭頭細部放大。(圖片來源:香港地政總處)

當戴偉思和我得悉這個喜訊後非常雀躍。我在同年8月22日帶領天文台同事前往考察,並且再發現在石柱附近的地面還有一個三角網測站(圖18),表明石柱與測量有莫大的關係。之後葉贊邦和地政總處團隊進行測量,發現石柱的經度與北石柱和天文台的三角網測站的經度完全一致,證實了這的確是1884年天文台所設立的南石柱,而這條貫通香港天文台的北石柱至寶雲道的南石柱就是香港的子午線。


圖18:石柱附近地面的三角網測站,刻有“WDTRIGSTN”和 “1893” 的字樣,相信是代表1893年設立的英國陸軍部三角網測站(War Department Trig Station)。(圖片來源:岑智明)

既然香港的子午線穿過天文台的三角網測站,那麼這個三角網測站的角色是什麼?最令人覺得奇怪的是,在地政總處的《香港大地測量基準說明》[11]今天仍然寫著:「香港1980大地基準的原點在舊的零號三角網測站(現不存在(now gone)),位於九龍的香港天文台中星儀以南38.4呎。由於利用天文觀測所制定的香港天文台緯度為22°18’13.20”N,因此零號三角網測站的緯度為22°18’12.82”N。零號三角網測站的經度為114°10’18.75”E,由1924年利用波爾多(無線電)信號在格林威治和香港同步測量。」(圖19)非常有趣的是:文件所載的天文台經緯度與安裝在測量站上牌匾的經緯度竟然一樣(圖13),那麼怎會說零號三角網測站現不存在呢?今天見到的三角網測站是否已經不是原來的零號三角網測站?這個謎後來終於被我們揭開了,在這裡讓我先賣個關子。


圖19:地政總處出版的《香港大地測量基準說明》第A2頁,清楚顯示零號三角網測站「現不存在」(now gone)。(圖片來源:香港地政總處[11])

成功找到了1884年建的兩支定義香港子午線的石柱,那麼故事就應該可以完結了吧。可是我們總會找新的問題! 我向戴偉思提出:一份1914年出版的報告[12]提到天文台於1913年設立多兩支石柱來取代原來的兩支,主要原因是由於維多利亞港上船隻釋出的煙會遮蔽南石柱,而且海面的折射也會令(在望遠鏡中)影像不穩定。這兩支新石柱其中一支位於天文台內,在中星儀正南72呎(本文稱之為「新南石柱」),而另一支在中星儀室以北16655呎(本文稱之為「新北石柱」),即在九龍筆架山山腰,要找到這支隱蔽在深山中的石柱難度很大。可是,戴偉思卻斬釘截鐵地說:「一定要去找!」

第三塊魔法石
當然,在天文台總部內的新南石柱不難找,只可惜它只剩下一塊底座,在今天的溫度表棚下(圖20),底座和中星儀室的距離與文獻一致。

圖20:天文台總部的溫度表棚下的紅箭頭表示新南石柱的位置(左);紅色虛線(右)勾畫出新南石柱底座的範圍。(圖片來源:香港天文台)

最後一塊魔法石
至於新北石柱,首先要確定它的位置。葉贊邦再次重施故伎,他從1963年筆架山一帶的高空照片(圖21)發現一個方形物體,但消息卻好壞參半:好消息是位置與文獻一致,壞消息是這位置沒有山路可以到達,而且地勢陡峭,要找到它必須要翻山和闢路,談何容易!雖然戴偉思對爬山有豐富經驗,但我卻沒有。於是我召集了一個「探險隊」,包括戴偉思、天文台和地政總處的同事,用自己的時間去研究登山路線,甚至有一位同事先行到現場勘探,看看那一條路線的成功機會較高,然後才付諸實行,務求安全至上[13]。


圖21: 1963年的高空照片 ─ 紅色方格為黃色箭頭細部放大。(圖片來源:香港地政總處)

2018年1月14日探險隊終於出發,目標是先探路,有需要2月再去。我們一行6人:天文台3人、地政總處1人、戴偉思,再加上「氣象冷知識」的攝影師,希望能夠拍攝到第一手探險過程,用來製作教育短片。探險隊早上9:30啟程,走了大概不到半小時已經沒有山路可行,於是大家開始披荊斬棘、闢路、過密茂的竹林、落山澗… 最後的100米完全是密麻麻長滿了刺的藤蔓,實在寸步難行!不過,皇天不負有心人,在12:46戴偉思一馬當先在藤蔓中找到了新北石柱(圖22),位置正好在葉贊邦的估計三米範圍之內,可謂非常精準!


圖22:探險隊在新北石柱留影,上排左至右:戴偉思、岑智明、梁威揚;下排左至右:葉永成、蘇永揚。(圖片來源:岑智明)

但是「好戲在後頭」,雖然我們在原路的樹上放了不少記號,方便回程時辨認,但百密一疏,回程時在山澗找不到原路。我們無計可施,時間也一分一秒的過去,最後決定「背水一戰」,從約200米的高度一直往上爬到約350米高度的麥理浩徑第五段,終於能夠在日落前回到起步點(圖23),可謂有驚無險,順利完成使命,尋回所有子午線標記。有興趣進一步了解尋找魔法石的故事,尤其是這段探險旅程,請收看天文台製作的「氣象冷知識」短片[14]。


圖23:探險隊順利回到起步點,葉贊邦也趕來為探險隊打氣。從左至右:葉永成、戴偉思、岑智明、葉贊邦、不願露面的攝影師、梁威揚、蘇永揚。(圖片來源:岑智明)

三角網測站的玄機
上文講到,天文台總部有一個三角網測站,是代表天文台經緯度的原點,這經緯度與地政總處文件所描述的「零號三角網測站」的經緯度完全一樣,但地政總處的文件卻說「零號三角網測站」現不存在。那麼,我們今天見到的測量站(圖13)是什麼呢?這個謎底終於在2020年12月揭開了。也是機緣巧合,去年11月戴偉思、葉贊邦和我正在為一篇關於香港子午線的論文定稿,文中提到雖然中星儀室已經拆毀,根據文獻中星儀是安裝在一塊波特蘭石板上,而石板則安放於埋藏在地底約5呎深的磚砌基座上[15],那麼如果我們可以做一個簡單的考古發掘,便有可能找到這個磚砌基座,從而可以確定中星儀的準確位置。除此之外,根據地政總處的文件,「零號三角網測站」在中星儀以南38.4呎,所以如果中星儀的位置能夠確定,今天的網測站與中星儀的距離也可以準確量度,從而證明這是否「零號三角網測站」的真身。與此同時,天文台準備在地上新造一條石砌的子午線,方便向市民推廣。因為這項工程需要切開石屎路面,於是我和天文台同事商量,不如因利乘便,再掘深少許,或者有機會找到中星儀的磚砌基座。我們亦得到古物古蹟辦的同事支持,在發掘期間提供專業指導。結果,我們成功於2020年12月3日發現了紅色的磚砌基座(圖24),同時我們亦發現包圍中星儀基座的一個磚砌避震圓筒(圖24),根據文獻[13],圓筒是用來為中星儀隔開地面的震動,以提高天文觀測的準確度。葉贊邦和地政總處團隊也到場進行測量,確定基座的中心點與三角網測站的距離正是38.4呎,證明這就是原來的「零號三角網測站」。翻查歷史文獻,「零號三角網測站」於1929年2月2日由當時的公務局設立[16],比網測站上牌匾所載的1953年早了24年。


圖24:考古發掘發現了紅色磚砌基座(上),也同時發現了部分的磚砌避震圓筒(下)。(圖片來源:香港天文台)

結語
經過接近5年的研究和努力,一個又一個關於香港子午線的謎團被解開,最終我們成功找到其六個組成部分的遺蹟:1)中星儀磚砌基座;2)包圍中星儀基座的磚砌避震圓筒;3)北石柱;4)南石柱;5)新北石柱;及6)新南石柱底座(圖25)及(圖26)。它們與天文台的經緯度原點「零號三角網測站」在同一條線上:從九龍筆架山一直伸展至香港島寶雲道的香港子午線總長度超過8公里;雖然理論上香港子午線當然貫穿南北極,在途中經過香港天文台而已。


圖25:香港天文台總部內的子午線相關標記(圖片來源:香港地政總處)


圖26:香港子午線。(圖片來源:香港地政總處)

這些石柱最早建於1884年,雖然在二戰後已經功成身退和被人遺忘,過了超過半個世紀仍能被尋回,確實是個奇蹟!當中有其運氣成分,也有機緣巧合的助力,但還有一個故事不可不提:當戴偉思、葉贊邦和我在2020年除夕正準備提交論文之際,戴偉思收到一位柯靄寧工程師的電郵。她經朋友聯絡戴偉思,告訴他原來早在2008年她已經發現在寶雲道的南石柱,但當時她不知道是子午線石柱,後來看到天文台「氣象冷知識」短片[14]才得知。柯靄寧在2008年負責一項土力工程處在寶雲道的斜坡鞏固工程[17],地盤的同事發現這個石柱會妨礙工程鑽探,徵詢她的意見。她到現場考察之後覺得石柱非常特別,覺得應該需要保留,於是指示地盤同事改變鑽探位置,同時聯絡土力工程處和古物古蹟辦事處。古蹟辦同事到場考察並做了記錄,但對石柱的「身世」卻毫無頭緒,於是南石柱繼續「隱世」,直至2017年7月12日才被葉贊邦發現,身世大白。聽完柯靄寧的故事,我們都不禁由衷地感謝她和施工團隊自發地保育這件當年不知名的石柱,為香港留下有歷史價值的文物。同時,我們也為石柱能夠避過2005年的山泥傾瀉捏一把汗(圖27)。畢竟據我們的認識,中國內地甚至其餘東南亞地區也沒有這類子午線標記的記錄。

圖27:南子午線石柱(右)位於2005年山泥傾瀉範圍10米以內(左)。(圖片來源:谷歌地圖及香港天文台)

寫到這裡,本應是「大團圓結局」。只可惜,世事往往會有一些遺憾。2020年1月兩位行山人士發現新北子午線石柱部分崩塌(圖28)。雖然崩塌的原因未明,但從(圖22)可以看到早於2018年1月新北石柱已經被植物侵蝕而出現明顯裂痕,再加上2018年9月16日香港被超強颱風山竹吹襲,十號風球在當日維持了10小時,惡劣天氣有可能令石柱不穩而崩塌。這是非常可惜的!但對修復新北子午線石柱我是樂觀的,從(圖28)可以看到已經有善心人幫助穩固餘下的石柱,衷心希望集合眾人之力,我們可以把石柱更好地保育。


圖28:部分崩塌的新北子午線石柱。(圖片來源:Daniel Wong)

參考文獻


  1. 請參閱2021年5月第九期《香港桂冠論壇通訊》:香港子午線解密(一)
  2. 視乎觀測者的緯度。
  3. http://www.oasi.org.uk/OPO/Telescopes/Tele_transit.jpg
  4. https://zh.wikipedia.org/wiki/日晷#/media/File:Beijing_sundial.jpg
  5. 準確來說,在導航的過程中,要確定船在海上的經度,必須掌握本初子午線的時間 (即格林威治平時GMT) 。利用天文觀測確定本地正午時間之後,就可以與GMT的正午時間比較, 它們之間的差別就是觀測者的經度。
  6. 香港天文台的經度最早在1881年由美國海軍少校格林(Lieutenant Commander FM Green)和香港工務局利用電報方法再加上測量而制定的,天文台開始進行觀象授時的經度為114° 10’27.9”,後來基於無線電方法於1926年修訂為114° 10’ 18.75”。
  7. W Doberck (1886): “Report on the Astronomical Instruments at the Observatory and on the Time Service of Hong Kong in 1885”, Hong Kong Observatory.
  8. http://www.royalobservatorygreenwich.org/
  9. https://fr.wikipedia.org/wiki/Méridien_de_Paris/
  10. 與北石柱一樣,在南石柱上已經找不到文獻所記載貫穿兩個圓形的垂直一字形標記。
  11. https://www.geodetic.gov.hk/common/data/pdf/explanatorynotes.pdf
  12. TF Claxton (1914): “Report on the Time Service (Appendix to Hong Kong Observations, 1913)”, Hong Kong Observatory.
  13. 鑑於安全考慮,筆者不建議行山人士前往筆架山找尋新北石柱。
  14. https://www.hko.gov.hk/tc/最新消息/103243/『氣象冷知識』:香港子午線(一):神秘的魔法石
    https://www.hko.gov.hk/tc/最新消息/103245/『氣象冷知識』:香港子午線(二):戴偉思博士與魔法石
    https://www.hko.gov.hk/tc/最新消息/103246/『氣象冷知識』:香港子午線(三):尋找失落的魔法石 https://www.hko.gov.hk/tc/最新消息/103248/『氣象冷知識』:香港子午線(四):最後的魔法石
  15. W Doberck (1886): The Hong Kong Observatory, Nature, 14 October 1886, pp 572-573.
  16. TF Claxton (1930): Report of the Director of the Royal Observatory, Hong Kong, for the Year 1929, Hong Kong Government.
  17. 此工程正是與上文提到2005年的山泥傾瀉有關。

作者︰
香港天文台前台長岑智明先生