元代科学家
郭守敬等发起并组织的大规模全国天文测量。从1279年开始,在当时的
元朝疆域之内27个地点进行。与现代值相比,平均误差在0.2°至0.35°之间,有两处则与现代值完全相等。这次四海测验,为编制《
授时历》奠定了基础。
公元1279年(
至元十六年),元朝天文学家
郭守敬(1231-1316)为同知太史院事时,向
元世祖忽必烈提出在全国范围进行大规模天文测量的建议。他指出
唐朝开元年间天文学家
僧一行曾命令南宫说带领一组人员,在全国13处观测点进行天文测量,现今元代的疆域比唐代还大,若不分赴各地进行实测,就不能了解日月食的时刻和食分数,各地昼夜长短的差距,日月星辰在天球上的位置等等,
忽必烈听后非常赞同,并马上批准实施。由此四海大测验拉开帷幕。(“唐
开元年间,令南宫说天下测影,书中见者有十三处,今疆域比
唐代大,若不远方测验,日月交食分数,时刻不同,昼夜长短不同,日月星辰去天高下不同,即日测验人少可先南北立表取直测影。)
郭守敬在四海测验期间,亲自主持建造了河南
登封观星台,现已被列入国家重点文物保护单位。观星台,是按登封观星台1:1的比例仿建的。它由两部分组成,一是梯台体建筑,二是由台身北壁凹槽向北平铺于地的石圭。梯台体建筑高8.9米,连台顶观测室通高11.96米,台底东西长16.85米,南北长16.37米,台顶东西长8.05米,南北长7.55米。台顶可放置天文仪器,如简仪、仰仪等,以观测日、月、星辰。两观测室之间水平放置一根长1.97米,直径为0.08米的铜棒,又叫横梁。横梁下方有一石圭,长31.39米,宽0.53米,高出地面0.4米,由36块青石拼接而成。圭面有刻度,因而石圭又叫量天尺。石圭、凹槽、横梁组成圭表,可以观测日影。中午太阳升到上中天,也就是正南方时,横梁影子就投在圭面上某一刻度。连续观测横梁影子的长度,就可以推算出
回归年长度和
二十四节气时刻等。当年,郭守敬就是用这种测量方法测定出一回归年长度为365.2425日。
元初的天文仪器,都是
宋、
金时期遗留下来的,已破旧的不能使用了。
郭守敬就在原仪器的基础上进行改制,并在实践中重新设计,在3年的时间里,改制和重新创造了十多种天文仪器。其中主要的是简仪、赤道经纬和日晷三种仪器合并归一,用来观察天空中的日、月、星宿的运动,改进后不受仪器上圆环阴影的影响。高表与
景符是一组测量日影的仪器,是
郭守敬的创新,把过去的八尺改为四丈高表,表上架设横梁,
石圭上放置景符透影和景符上的日影重合时,即当地日中时刻,用这种仪器测得的是日心之影,较前测得的日边之影精密得多,这是一个很大的改进。
郭守敬主持的四海测验,在全国各地设立了27个观测站,东起
朝鲜半岛,西至川滇和
河西走廊,北到
西伯利亚,其测量内容之多,地域之广,精度之高,参加人员之众,在中国历史上乃至世界天文史上都是空前的,比西方进行同样的大地测量早了620年。
元世祖接受了
郭守敬的建议,遂派监候官14人分道而出,在27个地方进行了天文观测,告成
观星台就是当时27处观测站之一,这就是历史上有名的“四海测验”。郭守敬从
上都(
多伦),
大都(
北京)开始历经
河南转抵
南海跋涉数千里,亲自参加了这一路的重要测验。告成(古
阳城),当时属河南府(即
洛阳)管辖,观星台的兴建和观测日影就在此时。当时,这里观测的结果是:河南府——阳城(即今告成)
北极出地34度太弱,见《元史·天文志》。
郭守敬根据“四海测验”的结果,并参考了1000多年的天文资料,70多种历法,互相印正对比,排除了
子午线日月五星和人间吉凶相连的迷信色彩,按照日月五星在太空运行的自然规律,在公元1280年(至元十七年),编制成了新历法——《
授时历》。《授时历》推算出的一个回归年为365.2425天,即365天5时49分12秒,与
地球绕太阳公转的实际时间,只差26秒,和世界上通用的《
格里高利历》(俗称的阳历)的周期一样,但《格里高利历》是1582年(明万历十年)开始使用,比郭守敬的《授时历》晚300多年,在国际上产生了一定的影响。
中国元朝
元世祖于公元1279年(至元十六年)三月二十日命天文学家郭守敬进行地理测量行动“四海测验”,
郭守敬亲自登陆的南海测点为黄岩岛及附近诸岛,测量结果在《元史·天文志·四海测验》中有详细记载,创世界纪录协会世界最早对
黄岩岛进行地理测量的政府
世界纪录。