Cơ sở thiên văn của lịch
Khái niệm về thời gian của con người được hình thành từ sự cảm nhận tính chu kỳ, lập đi lập lại của các hiện tượng tự nhiên như ngày- đêm, mặt trời mọc lặn, mặt trăng tròn khuyết, mùa đông mùa hè…ở những nền văn minh cổ, con người nhận biết chu kỳ tự nhiên qua quá trình theo dõi chuyển động biểu kiến (là chuyển động được mô tả khi quan sát từ vị trí nào đó - trong trường hợp này là Trái đất - dù trong thực tế đối tượng có di chuyển hay không) của các thiên thể trên bầu trời. Các chu kỳ thiên văn chính là ngày (dựa trên sự quay của trái đất quanh trục của nó), tháng (dựa trên vòng quay của mặt trăng quanh trái đất) và năm dựa trên chuyển động của trái đất xung quanh mặt trời. Ngày,tháng,năm cũng là các đơn vị cơ bản của lịch và vì vậy chuyển động trong không - thời gian của các thiên thể thiên văn học sử dụng hệ toạ độ trời và các thang thời gian khác nhau. Các khái niệm này cùng một số khái niệm hay thuật ngữ thiên văn khác liên quan tới lịch pháp sẽ được trình bày ở mục này và mục các thang thời gian.
Thiên cầu và hệ toạ độ trời:
Để xác định mỗi vị trí nào đó trên mặt Địa Cầu người ta dùng kinh tuyến và vĩ tuyến, chẳng hạn vị trí của Jerusalem là 35.2° kinh độ đông và 31.8° vĩ độ bắc, của Hà Nội là 105.83° kinh độ đông và 21.05° vĩ độ Bắc. Cũng tương tự như vậy, vị trí của thiên thể trong thiên cầu được xác định bằng xích kinh và xích vĩ. Thiên cầu là một mặt cầu tưởng tưởng có bán kính vô cùng lớn, tâm là nơi ta quan sát, hình chiếu của kinh tuyến vĩ tuyến và xích đạo trái đất lên thiên cầu gọi là xích kinh, xĩch vĩ và xích đạo trời. Tuy nhiên để đánh dấuvị trí của mặt trời và mặt trăng các nhà thiên văn thường sử dụng hai đại lượng khác nhau là hoàng kinh và hoàng vĩ trong hệ toạ độ Hoàng đạo. Hoàng đạo chính là hình chiếu quỹ đạo chuyển động của trái đất ( không tính đến nhiễu loạn) lên bầu trời. Hoàng kinh là độ dài góc đo theo hoàng đạo (từ 0° đến 360°) còn hoàng vĩ là độ dài góc tính từ hoàng đạo (từ 0° đến ±90°).
Kinh tuyến và vĩ tuyến trên mặt đất được tính từ kinh tuyến Greenwich và đường xích đạo, còn điểm gốc để bắt đầu tính hoàng kinh (L=0) là giao điểm giữa Hoàng đạo và xích đạo trời, giao điểm này gọi là điểm xuân phân. Xích kinh và xích vĩ là hai toạ độ của hệ toạ độ xích kinh, hệ toạ độ này thích hợp cho việc thành lập bản đồ sao hay mô tả chuyển động của mặt trăng, mặt trời vì xích kinh và xích vĩ không thay đôỉ do nhật động và đều không phụ thuộc vào nơi quan sát . Hệ toạ độ hoàng đạo thường dùng để theo dõi các các thiên thể trong hệ mặt trời. Ngoài ra, cũng thuộc hệ toạ độ trời còn có: Hệ toạ độ chân trời với hai toạ độ là độ cao (h) và độ phương (A), hệ toạ độ góc giờ với hai toạ độ là xĩch vĩ và góc giờ (t)…
Chuyển động biểu kiến của mặt trời.
Mặt trời di chuyển giữa các chòm sao dọc theo Hoàng đạo về hướng đông, cùng chiều với chiều quay của trái đất. Một dải băng rộng khoảng 16° trên bầu trời (ở giữa hai dải là Hoàng đạo) chứa các chòm sao mà mặt trời đi qua trong một năm được gọi là Hoàng đới. 12 chòm sao nằm trong Hoàng đới là : Trinh nữ (Virgo), Cái cân (Libra), Thần nông (Scorpicus), nhân mã (Sagitarius), con Hươu (Capricornus), Cái bình (Aquarius), Song ngư (Pisces), Bạch dương (Aries), Kim ngưu (Taurus), Song tử (Gemini), Con cua (Cancer), Sư tử (Leo).
* Điểm phân, điểm chí và mùa:
Do trục quay trái đất nghiêng một góc 23°27¢ so với quỹ đạo chuyển động nên Hoàng đạo cũng nghiêng một góc 23°2 so với xích đạo trời. mặt trời ở bán cầu Bắc của Thiên cầu khoảng1/2 năm và 1/2 năm sau đó ở bán cầu Nam, trong một năm xích vĩ của mặt trời (Khoảng cách góc đến xích đạo trời ) sẽ biến đổi từ -23°27¢ ở Nam xích đạo trời đến +23°27¢ ở Bắc xích đạo trời. Điểm trên Hoàng đạo mà xích vĩ mặt trời bằng 23°27¢ (d »23°27¢) gọi là Hạ chí, tại điểm xích vĩ mặt trời bằng -23°27¢(d=0°) gọi là điểm xuân phân và thu phân.
Các mùa trên trái đất không phải do khoảng cách đến mặt trời xa hay gần gây ra như một số người lầm tưởng, thực tế trái đất gần mặt trời nhất vào khoảng đầu tháng 1 (điểm cận nhật) trong khi lúc này ở Bắc bán cầu đang là mùa đông. Nguyên nhân chính tạo ra các mùa là do trục trái đất nghiêng với quỹ đạo chuyển động một goc 23°27¢ dẫn đến thời gian mặt trời nằm trên đường chân trời cũng như độ cao mặt trời thay đổi trong năm. Điều này làm cho ngày dài hơn, đêm ngắn hơn hay ít đi. Khi mặt trời tới điểm xuân phân, vào khoảng 20/3 thì ngày và đêm có độ dài bằng nhau.
Tại điểm Hạ chí khoảng 21/6, mặt trời ở vị trí cao nhất, lúc này ngày dài nhất và đêm ngắn nhất . Vào quãng 22/9 ngày và đêm lại có độ dài bằng nhau, lúc này mặt trời ở điểm thu phân. Tại điểm Đông chí ( vào khoảng 22 tháng 12) mặt trời ở vị trí thấp nhất, ngày ngắn nhất và đêm dài nhất. Hai điểm phân và hai điểm chí là 4 điểm đánh dấu mùa trong năm ( tuỳ theo từng năm mà xê dịch ít nhiều) và có ý nghĩa quan trọng trong lịch, ở Phương Tây bồn ngày trên là khởi đầu cho bốn mùa ( Xuân, Hạ, Thu, Đông) còn ở phương Đông thì bốn ngày này lại là bốn ngày chính giữa của bồn mùa. Lưu ý rằng thời gian xẩy ra 4 điểm Phân và Chí trên chỉ đúng với người quan sát ở Bán Cầu Bắc, còn bán Cầu Nam các sự kiện tương ứng sẽ bị lệch đi 6 tháng.
Tại ngày xuân phân và thu phân trục trái đất không nghiêng với quỹ đạo chuyển động nên ở tất cả mọi nơi trên trái đất ngày và đêm đều dài 12 giờ. ở 20° vĩ Bắc (đi qua gần Hà Nội) vào Hạ chí ngày dài khoảng 13g13¢ và tới đông chí ngày chỉ còn dài 10g47’. Cũng vào Hạ chí tại những nơi trên 66°33’ vĩ Bắc (vòng Bắc cực) thì ngày dài 24g và không có đêm, còn những nơi dưới 66°33’ vĩ Nam thì đêm kéo dài 24g, không có ngày, đến ngày Đông chí thì ngược lại, những điểm nằm trên 66°33’ vĩ Bắc không có ngày và những nơi dưới 66°33’ vĩ Nam lại không có đêm. Tại vùng quanh vòng bắc cực ( như St. Petersburg) vào thời gian Hạ chí mặt trời không lặn hoặc chỉ lặn một ít dưới chân trời, đêm không tối rõ rệt nên được gọi là đêm trắng!
Chuyển động của mặt trăng:
Mặt trăng cũng di chuyển gữa các ngôi sao về phía Đông như mặt trời, trung bình khoảng 13° một ngày và thời gian để mặt trăng quay trở lại cùng một vị trí giữa các ngôi sao là ~27.3 ngày, đây là độ dài của tháng sao. Thời gian mặt trăng trở lại cùng một vị trí tương đối so với mặt trời trong thiên cầu gọi là tháng giao hội, tháng giao hội khoảng 27.5 ngày , dài hơn tháng sao do mặt trăng và mặt trời cùng dịch chuyển về hướng đông. Trong tháng giao hội mặt trăng lần lượt trải qua các pha: Không trăng hay Sóc là thời điểm mặt trăng nằm xấp xỉ thẳng hàng trái đất và mặt trời , bề mặt quay về trái đất bị tối không nhìn thấy, Thượng huyền (hay pha bán nguyệt, nhìn thấy một nửa đĩa mặt trăng ); Trăng tròn (Vọng), thời điểm mặt trăng ở phái đối diện với mặt trời , bề mặt quay về phía trái đất sáng hoàn toàn; Hạ huyền , thời điểm nhìn thấy một nửa đĩa mặt trăng và sau đó quay lại thời điểm sóc.
Quỹ đạo mà mặt trăng quay quanh Trái đất gọi là bạch đạo, Bạch đạo nghiêng với Hoàng đạo một góc ~5°và cắt Hoàng đạo tại hai Tiết điểm đối diện nhau. Do ảnh hưởng nhiễu loạn của lực hấp dẫn từ trường và các thiên thể khác tác dụng lên mặt trăng nên bạch đạo không ổn định trong không gian , hai tiết điểm này dịch chuyển trên Hoàng đạo về hướng tây khoảng 19.4° một năm và đường thẳng nối chúng dao động với chu kỳ ~18.6 năm quanh Hoàng đạo, chuyển động của tiết điểm có ý nghĩa quan trọng trong dự đoán Nhật, Nguyệt thực.
(Theo Lịch Việt Nam Thế kỷ XX-XXI, tác giả Thạc sỹ Trần Tiến Bình, ban lịch nhà nước)