上回讲到[1],为满足远洋航行的需要,英国人发明了航海钟,帮助船长准确掌握船只的经度,确保航行安全。虽然航海钟已经非常准确,但亦需要定时作出校正。这就要依赖各大主要港口所提供的时间球服务。

天文台如何测定时间?
在香港肩负这个重要责任就是香港天文台,它于1883年成立时主要目的正是利用中星仪(transit instrument)(图1)作天文观测来测定「地方时」〔local time〕。简单来说,当太阳经过某地方的正南或正北[2]时,就是当地正午,这是日晷(图2)的基本原理,所量度的时间称为「视太阳时」(apparent solar time)。不过,视太阳时欠缺均匀性。这是由于地球围绕太阳的轨道并非圆形,其运行速度会随着地球与太阳的距离改变而出现变化,再加上地球自转轴倾斜的影响,因此必须采用一种较有均匀性的「平太阳时」(mean solar time)。大家所熟识的「格林威治平均时间」(Greenwich Mean Time)就是皇家格林威治天文台艾里中星仪(Airy Transit Circle)经度(即上次提及的「本初子午线」的经度)的平太阳时。同样地,香港天文台开台初期所提供的时间服务是基于天文台中星仪经度的平太阳时,这个经度就是本文主角 ─ 香港子午线。


图1:特罗顿和辛姆斯(Troughton & Simms)制直径3吋的中星仪:香港天文台早期使用同类型中星仪作观象授时服务,可惜在二战期间失去。 〔图片来源:奥维尔园天文台[3]〕


图2:位于北京故宫的赤道日晷。 〔图片来源:维基百科[4]〕

香港天文台于1884年在尖沙咀水警总部旁兴建时间球塔〔图3〕,当年的时间球直径达6呎,悬于时间球塔塔顶上的桅杆,为来往香港的船只提供准确的报时服务。


图3:位于尖沙咀水警总部的第一代时间球塔。塔旁可见用来悬挂风球的信号杆。 〔图片来源:岑智明〕

时间球塔在1885年1月1日开始投入服务,于每日下午12时55分,在水警总部的人员协助下,将时间球升至塔上桅杆的一半高度,然后于下午12时57分将时间球升至桅杆的最高点,最后于下午一时正由天文台总部的标准时钟通过电路控制时间球降下(图4)。


图4:天文台于1885年1月1日在香港宪报公布的时间球服务。公告中提及的Hongkong Civil Time(香港民用时)即是香港的平太阳时〔图片来源:香港大学图书馆〕

那么,天文台是如何使用中星仪准确测定「平太阳时」呢?首先,上回讲到,要在海上准确测定船只的经度就必须要利用天文观测确定当地的时间[5],其实反之亦然:如果我们已经掌握当地的经度[6],我们便可以利用中星仪观测特定的恒星越过天顶的时刻来测定当地时钟的准确度。因为地球自转的关系,对于在地面的观测者来说,天上恒星都是围绕着「天球」(celestial sphere)北天极旋转(图5),那么只要在天文年历翻查某一颗恒星在天球上的位置,便可以得知该恒星在什么时间越过观测者子午线的正南或正北。不过,由于地球也围绕着太阳公转,从以上方法得出的「恒星时」(sidereal time)与「平太阳时」在每一天会有约4分钟的差别,所以天文台还需要把「恒星时」转换为「平太阳时」才能得出香港民用时。当然,进行天文观测还需要天公造美,所以天文台也不是每一天都可以做到天文观测,例如在1885年天文台只能做到313次中星仪观测。


图5:因地球自转,在天球上的恒星相对地面上的观测者围绕北天极旋转〔图片来源:大英百科全书〕

香港子午线如何制定?
从(图5)看到,子午线只是在虚拟天球上的一条将其一分为二的虚拟曲线,大家可能会问:那么在格林威治皇家天文台的本初子午线和在香港天文台的香港子午线是如何制定呢?根据香港天文台文献[7],香港子午线最早由两个子午线标记定义,一个位于天文台中星仪室(图6)正北约70呎的石柱(「北石柱」)上,另一个位于天文台中星仪室正南11354呎,在湾仔半山的石柱(「南石柱」)上。两个标记在1884年设立。


图6:摄于约1905年的香港天文台,主楼旁可见中星仪室。 〔图片来源:岑智明〕

两支石柱上都设有十字形标记(北石柱)或贯穿两个圆形的垂直一字形标记(南石柱),目的是让中星仪能够凭瞄准两个标记而保证对准南北方向,把测定时间的误差减至最低。当年观象授时的平均误差在0.2秒以下,以当时科技水平是极为准确的。

世界知名的天文台都设有子午线标记。(图7)及(图8)分别可见英国格林威治和法国巴黎的子午线标记。


图7:格林威治的子午线标记。 (图片来源:格林威治皇家天文台[8])


图8:法国巴黎的子午线标记。 (图片来源:维基百科[9])

第一块魔法石
还记得当我开始研究天文台历史,也对这两个香港子午线标记有些印象,但我从没有想过,这两支石柱在130多年后的今天仍然「健在」,而且还能找到!这个寻找香港子午线「魔法石」的故事始于2016年2月2日,当天早上,香港海事博物馆前总监史提芬戴伟思博士(Dr Stephen Davies)来到香港天文台考察一支位于天文台百周年纪念大楼门外的石柱(图9)。虽然在石柱上找不到文献记载的十字形标记,他认为这石柱就是北石柱。我半信半疑,因为自从我入职天文台后,所有同事都说这石柱以前是用来绑风球的 ─ 在未兴建百周年纪念大楼之前,石柱旁边就是挂风球的信号杆,而且石柱上更有一个像牛角形状的铁钩(图10),钩上还系有一截铁链,所以我从没有怀疑这个说法。


图9:天文台百周年纪念大楼门外的石柱,原来就是北子午线标记。 (图片来源:香港天文台)


图10:石柱上的牛角形状铁钩,钩上还系有一截铁链。 (图片来源:香港天文台)

可是,当戴伟思和我们做了一些量度之后,发现石柱确是位于旧中星仪室以北约70呎,于是我们翻查天文台的旧地图,竟然在其中一张地图上同一位置发现了北石柱(图11),证据确凿!再翻查天文台老照片也发现北石柱与中星仪室和在天文台主楼前面的一个三角网测站成一直线(图12)。这个三角网测站一向是天文台经纬度的原点(图13),但它原来也与香港子午线关系密切,容后再讲。


图11:1983年的天文台地图,在百周年纪念大楼门外可见“North Mark”(北标记)。 (图片来源:香港天文台)


图12:1951年的天文台高空照片,可见北石柱与中星仪室和三角网测站成一直线,挂风球的信号杆也在北石柱旁边。 (图片来源:香港天文台)

图13:安装在天文台总部三角网测站(右)上的牌匾(左),写着天文台的经纬度及高度,建立日期为1953年7月。 (图片来源:香港天文台)

第二块魔法石
找到第一支石柱之后,戴伟思和我在当天已经通过电邮讨论南石柱的所在。我们把唯一掌握的资料:南石柱位于天文台中星仪室正南11354呎,放在谷歌地图上可以看到标记应该在湾仔宝云道附近(图14)。不过,经过百多年,漫山都长满了树木,要找到这支几尺丁方的石柱谈何容易?戴伟思和我先后去过宝云道探索,但发现附近曾于2005年发生过山泥倾泻,也在近年做过一些斜坡巩固工程和防洪工程(图15),因此石柱被山泥冲走甚至在工程施工时被移走都有可能。


图14:南石柱的大概位置,在湾仔宝云道附近。 (图片来源:谷歌地图)


图15:宝云道一带在近年做了一些斜坡和防洪工程。 (图片来源:香港天文台)

好容易一年过去,我们都未有发现。机缘巧合,我在2017年2月与一些收藏家朋友在中央图书馆做展览,一位认识了不久的地政处测量师叶赞邦先生到来参观,倾谈间我提起找寻南石柱的事,同时询问他关于天文台三角网测站的历史,希望他能够协助。出乎意料,在同年7月12日收到了喜讯 ─ 他找到了南石柱[10](图16)!


图16:叶赞邦在2017年7月12日传来的南石柱照片。 (图片来源:叶赞邦)

那么,叶赞邦如何从大海捞到针呢?原来他有秘密武器 ─ 高空照片:(图17)清楚显示在1968年的高空照片(左)出现一个方形物体,似乎是一个人造的构建物,它同样出现在1976年的高空照片(右)内同一个位置,但已经有一半被树木遮盖。于是叶赞邦在高空照片上准确定位后便能够在宝云道山坡上找到石柱。


图17:1968年(左)及1976年(右)的高空照片 ─ 红色方格为黄色箭头细部放大。 (图片来源:香港地政总处)

当戴伟思和我得悉这个喜讯后非常雀跃。我在同年8月22日带领天文台同事前往考察,并且再发现在石柱附近的地面还有一个三角网测站(图18),表明石柱与测量有莫大的关系。之后叶赞邦和地政总处团队进行测量,发现石柱的经度与北石柱和天文台的三角网测站的经度完全一致,证实了这的确是1884年天文台所设立的南石柱,而这条贯通香港天文台的北石柱至宝云道的南石柱就是香港的子午线。


图18:石柱附近地面的三角网测站,刻有“WDTRIGSTN”和 “1893” 的字样,相信是代表1893年设立的英国陆军部三角网测站(War Department Trig Station)。 (图片来源:岑智明)

既然香港的子午线穿过天文台的三角网测站,那么这个三角网测站的角色是什么?最令人觉得奇怪的是,在地政总处的《香港大地测量基准说明》[11]今天仍然写着:「香港1980大地基准的原点在旧的零号三角网测站(现不存在(now gone)),位于九龙的香港天文台中星仪以南38.4呎。由于利用天文观测所制定的香港天文台纬度为22°18’13.20”N,因此零号三角网测站的纬度为22°18’12.82”N。零号三角网测站的经度为114°10’18.75”E,由1924年利用波尔多(无线电)信号在格林威治和香港同步测量。 」(图19)非常有趣的是:文件所载的天文台经纬度与安装在测量站上牌匾的经纬度竟然一样(图13),那么怎会说零号三角网测站现不存在呢?今天见到的三角网测站是否已经不是原来的零号三角网测站?这个谜后来终于被我们揭开了,在这里让我先卖个关子。


图19:地政总处出版的《香港大地测量基准说明》第A2页,清楚显示零号三角网测站「现不存在」(now gone)。 (图片来源:香港地政总处[11])

成功找到了1884年建的两支定义香港子午线的石柱,那么故事就应该可以完结了吧。可是我们总会找新的问题!我向戴伟思提出:一份1914年出版的报告[12]提到天文台于1913年设立多两支石柱来取代原来的两支,主要原因是由于维多利亚港上船只释出的烟会遮蔽南石柱,而且海面的折射也会令(在望远镜中)影像不稳定。这两支新石柱其中一支位于天文台内,在中星仪正南72呎(本文称之为「新南石柱」),而另一支在中星仪室以北16655呎(本文称之为「新北石柱」),即在九龙笔架山山腰,要找到这支隐蔽在深山中的石柱难度很大。可是,戴伟思却斩钉截铁地说:「一定要去找!」

第三块魔法石
当然,在天文台总部内的新南石柱不难找,只可惜它只剩下一块底座,在今天的温度表棚下(图20),底座和中星仪室的距离与文献一致。

图20:天文台总部的温度表棚下的红箭头表示新南石柱的位置(左);红色虚线(右)勾画出新南石柱底座的范围。 (图片来源:香港天文台)

最后一块魔法石
至于新北石柱,首先要确定它的位置。叶赞邦再次重施故伎,他从1963年笔架山一带的高空照片(图21)发现一个方形物体,但消息却好坏参半:好消息是位置与文献一致,坏消息是这位置没有山路可以到达,而且地势陡峭,要找到它必须要翻山和辟路,谈何容易!虽然戴伟思对爬山有丰富经验,但我却没有。于是我召集了一个「探险队」,包括戴伟思、天文台和地政总处的同事,用自己的时间去研究登山路线,甚至有一位同事先行到现场勘探,看看那一条路线的成功机会较高,然后才付诸实行,务求安全至上[13]。


图21: 1963年的高空照片 ─ 红色方格为黄色箭头细部放大。 (图片来源:香港地政总处)

2018年1月14日探险队终于出发,目标是先探路,有需要2月再去。我们一行6人:天文台3人、地政总处1人、戴伟思,再加上「气象冷知识」的摄影师,希望能够拍摄到第一手探险过程,用来制作教育短片。探险队早上9:30启程,走了大概不到半小时已经没有山路可行,于是大家开始披荆斩棘、辟路、过密茂的竹林、落山涧… 最后的100米完全是密麻麻长满了刺的藤蔓,实在寸步难行!不过,皇天不负有心人,在12:46戴伟思一马当先在藤蔓中找到了新北石柱(图22),位置正好在叶赞邦的估计三米范围之内,可谓非常精准!


图22:探险队在新北石柱留影,上排左至右:戴伟思、岑智明、梁威扬;下排左至右:叶永成、苏永扬。 (图片来源:岑智明)

但是「好戏在后头」,虽然我们在原路的树上放了不少记号,方便回程时辨认,但百密一疏,回程时在山涧找不到原路。我们无计可施,时间也一分一秒的过去,最后决定「背水一战」,从约200米的高度一直往上爬到约350米高度的麦理浩径第五段,终于能够在日落前回到起步点(图23),可谓有惊无险,顺利完成使命,寻回所有子午线标记。有兴趣进一步了解寻找魔法石的故事,尤其是这段探险旅程,请收看天文台制作的「气象冷知识」短片[14]。


图23:探险队顺利回到起步点,叶赞邦也赶来为探险队打气。从左至右:叶永成、戴伟思、岑智明、叶赞邦、不愿露面的摄影师、梁威扬、苏永扬。 (图片来源:岑智明)

三角网测站的玄机
上文讲到,天文台总部有一个三角网测站,是代表天文台经纬度的原点,这经纬度与地政总处文件所描述的「零号三角网测站」的经纬度完全一样,但地政总处的文件却说「零号三角网测站」现不存在。那么,我们今天见到的测量站(图13)是什么呢?这个谜底终于在2020年12月揭开了。也是机缘巧合,去年11月戴伟思、叶赞邦和我正在为一篇关于香港子午线的论文定稿,文中提到虽然中星仪室已经拆毁,根据文献中星仪是安装在一块波特兰石板上,而石板则安放于埋藏在地底约5呎深的砖砌基座上[15],那么如果我们可以做一个简单的考古发掘,便有可能找到这个砖砌基座,从而可以确定中星仪的准确位置。除此之外,根据地政总处的文件,「零号三角网测站」在中星仪以南38.4呎,所以如果中星仪的位置能够确定,今天的网测站与中星仪的距离也可以准确量度,从而证明这是否「零号三角网测站」的真身。与此同时,天文台准备在地上新造一条石砌的子午线,方便向市民推广。因为这项工程需要切开石屎路面,于是我和天文台同事商量,不如因利乘便,再掘深少许,或者有机会找到中星仪的砖砌基座。我们亦得到古物古迹办的同事支持,在发掘期间提供专业指导。结果,我们成功于2020年12月3日发现了红色的砖砌基座(图24),同时我们亦发现包围中星仪基座的一个砖砌避震圆筒(图24),根据文献[13],圆筒是用来为中星仪隔开地面的震动,以提高天文观测的准确度。叶赞邦和地政总处团队也到场进行测量,确定基座的中心点与三角网测站的距离正是38.4呎,证明这就是原来的「零号三角网测站」。翻查历史文献,「零号三角网测站」于1929年2月2日由当时的公务局设立[16],比网测站上牌匾所载的1953年早了24年。


图24:考古发掘发现了红色砖砌基座(上),也同时发现了部分的砖砌避震圆筒(下)。 (图片来源:香港天文台)

结语
经过接近5年的研究和努力,一个又一个关于香港子午线的谜团被解开,最终我们成功找到其六个组成部分的遗迹:1)中星仪砖砌基座;2)包围中星仪基座的砖砌避震圆筒;3)北石柱;4)南石柱;5)新北石柱;及6)新南石柱底座(图25)及(图26)。它们与天文台的经纬度原点「零号三角网测站」在同一条线上:从九龙笔架山一直伸展至香港岛宝云道的香港子午线总长度超过8公里;虽然理论上香港子午线当然贯穿南北极,在途中经过香港天文台而已。


图25:香港天文台总部内的子午线相关标记(图片来源:香港地政总处)


图26:香港子午线。 (图片来源:香港地政总处)

这些石柱最早建于1884年,虽然在二战后已经功成身退和被人遗忘,过了超过半个世纪仍能被寻回,确实是个奇迹!当中有其运气成分,也有机缘巧合的助力,但还有一个故事不可不提:当戴伟思、叶赞邦和我在2020年除夕正准备提交论文之际,戴伟思收到一位柯霭宁工程师的电邮。她经朋友联络戴伟思,告诉他原来早在2008年她已经发现在宝云道的南石柱,但当时她不知道是子午线石柱,后来看到天文台「气象冷知识」短片[14]才得知。柯霭宁在2008年负责一项土力工程处在宝云道的斜坡巩固工程[17],地盘的同事发现这个石柱会妨碍工程钻探,征询她的意见。她到现场考察之后觉得石柱非常特别,觉得应该需要保留,于是指示地盘同事改变钻探位置,同时联络土力工程处和古物古迹办事处。古迹办同事到场考察并做了记录,但对石柱的「身世」却毫无头绪,于是南石柱继续「隐世」,直至2017年7月12日才被叶赞邦发现,身世大白。听完柯霭宁的故事,我们都不禁由衷地感谢她和施工团队自发地保育这件当年不知名的石柱,为香港留下有历史价值的文物。同时,我们也为石柱能够避过2005年的山泥倾泻捏一把汗(图27)。毕竟据我们的认识,中国内地甚至其余东南亚地区也没有这类子午线标记的记录。

图27:南子午线石柱(右)位于2005年山泥倾泻范围10米以内(左)。 (图片来源:谷歌地图及香港天文台)

写到这里,本应是「大团圆结局」。只可惜,世事往往会有一些遗憾。 2020年1月两位行山人士发现新北子午线石柱部分崩塌(图28)。虽然崩塌的原因未明,但从(图22)可以看到早于2018年1月新北石柱已经被植物侵蚀而出现明显裂痕,再加上2018年9月16日香港被超强台风山竹吹袭,十号风球在当日维持了10小时,恶劣天气有可能令石柱不稳而崩塌。这是非常可惜的!但对修复新北子午线石柱我是乐观的,从(图28)可以看到已经有善心人帮助稳固余下的石柱,衷心希望集合众人之力,我们可以把石柱更好地保育。


图28:部分崩塌的新北子午线石柱。 (图片来源:Daniel Wong)

参考文献


  1. 请参阅2021年5月第九期《香港桂冠论坛通讯》:香港子午线解密(一)
  2. 视乎观测者的纬度。
  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. 准确来说,在导航的过程中,要确定船在海上的经度,必须掌握本初子午线的时间 (即格林威治平时GMT) 。利用天文观测确定本地正午时间之后,就可以与GMT的正午时间比较, 它们之间的差别就是观测者的经度。
  6. 香港天文台的经度最早在1881年由美国海军少校格林(Lieutenant Commander FM Green)和香港工务局利用电报方法再加上测量而制定的,天文台开始进行观象授时的经度为114° 10’27.9”,后来基于无线电方法于1926年修订为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. 与北石柱一样,在南石柱上已经找不到文献所记载贯穿两个圆形的垂直一字形标记。
  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. 鉴于安全考虑,笔者不建议行山人士前往笔架山找寻新北石柱。
  14. https://www.hko.gov.hk/tc/最新消息/103243/『气象冷知识』:香港子午线(一):神秘的魔法石
    https://www.hko.gov.hk/tc/最新消息/103245/『气象冷知识』:香港子午线(二):戴伟思博士与魔法石
    https://www.hko.gov.hk/tc/最新消息/103246/『气象冷知识』:香港子午线(三):寻找失落的魔法石 https://www.hko.gov.hk/tc/最新消息/103248/『气象冷知识』:香港子午线(四):最后的魔法石
  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. 此工程正是与上文提到2005年的山泥倾泻有关。

作者︰
香港天文台前台长岑智明先生