每四年一次，至少在大多數情況下，人類會在我們的日曆年中增加一天來幫助保持時間：閏日。2月29日是一個很少給我們的生活增色的日子，但卻扮演著一個極其重要的角色：在很長的時間裡保持我們的年曆和季節的交替。儘管有一個奇怪的歷史淵源和一系列圍繞它的城市傳說，但「閏日」的存在是出於科學而非迷信的原因。
圖註：2月29日，發生在2020年的一個周六，被稱為閏日。但它並不像一些人所想的那樣每四年發生一次，它對於保持我們的曆法和地球太陽系在數百年和數千年中的一致性具有極其重要的意義。如果沒有閏日，地球的物理學將很快導致季節與我們的年曆不同步，而分點和至點將在天、月和季節之間漂移。事實上，如果我們每四年一躍而過，事情也不會很順利。只有我們正確地解釋了地球繞太陽的軸向旋轉和公轉，我們才能保持日曆的正確性，這就是閏日的意義所在。在閏日的背後，有八個大家都應該知道的科學事實。
圖註：地球繞太陽軌道繞飛行一次行程為9.4億公裡。地球每天在太空中行駛的300萬公裡，確保了在我們的軸上旋轉360度不會使太陽每天恢復到天空中相同的相對位置。這就是為什麼我們的一天比23小時56分鐘長，這是旋轉360度所需的時間。1.）每天實際上並不是24小時。
地球的運動包括兩個基本部分：我們繞軸旋轉的運動和繞太陽旋轉的運動。 通常，我們認為輪換持續24小時，這就是為什麼一天是24小時，而我們繞太陽一圈需要365天，這就是為什麼一年長達365天的原因。
只是，這些影響是不可分割的，因為兩種運動總是發生的。如果地球是完全靜止的，保持在同一位置，那麼整個360°的完全旋轉就等於一天。但360度的旋轉並不是一天的事：它比兩個指標稍微少了一點。首先，地球旋轉360度只需23小時56分4秒。但是第二，由於地球在繞太陽運行的軌道上通過太空，它必須額外旋轉一點，才能將太陽定位在與前一天相同的相對位置。這額外的一點所需的運動是什麼，平均每天，24小時。
圖註：時間方程由行星軌道的形狀和軸向傾斜以及它們如何對齊決定。在最接近六月冬至的幾個月（當地球接近離太陽最遠的位置）時，它移動得最慢，這就是為什麼這一部分的八字線被擠壓，而12月的冬至，發生在近地點附近，是拉長的。2.）有些日子實際上比其他日子更長。
你是否曾想過為什麼最早的日出和最新的日落在夏至時不發生，為什麼最晚的日出和最早的日落與冬至不一致？這是因為地球繞太陽公轉是橢圓的，這意味著當地球離太陽最近時（近日點），它以最快的速度移動；當地球離太陽最遠時（遠日點），它以最慢的速度移動。
再加上近日點/遠日點與至點或分點都不一致，你會發現有些日子少於24小時，而有些日子則更多。我們習慣的一天24小時只是一年中所有日子的平均值，即使是這樣，它們也不是很完美。
圖註：在365天的過程中，太陽似乎不僅在天空中上下移動，由我們的軸向傾斜決定，而且由我們圍繞太陽的橢圓軌道決定。當兩個效果結合在一起時，結果的捏合圖-8被稱為八字形。這裡展示的太陽圖像是從塞薩爾·坎特在一個日曆年內在墨西哥的觀測中精選的 52 張照片。請注意，如果我們沒有正確解釋時間，八字形將年復一年地改變位置。
3.）地球繞太陽旋轉一圈的總和不等於日曆年。
在天文學中，如同在數學中一樣，一次完整的旋轉被定義為地球回到它360°軌道之前在太空中所佔據的相同位置。在天文學中，這就是我們所說的恆星年，也就是地球回到它先前相對於太陽的相對位置所需的時間。
但是，恆星年與日曆年（也稱為熱帶年）不同。地球繞太陽公轉時會繞其軸旋轉，並且該軸會隨著時間推移而進動，這意味著當地球完成與前一年的一次天文學公轉時，其相對於太陽的方向會略有不同。恆星年與日曆年之間的差異僅20分鐘左右，但這意味著一個日曆年（這是您使季節排列所需要的）實際上比圍繞太陽的完整公轉要短20分鐘。
圖註：就在800年前，近日點和冬至對齊。由於地球軌道的進動，它們正在緩慢地漂移，每21000年完成一個完整的周期。5000年後，春分和地球最接近太陽的時間將重合。這是一個微小而微妙的影響，從24小時到一天的精確長度，它造成了另一個微小的偏離，當與地球在其軸上的旋轉運動和圍繞太陽的軌道運動相比，它是微不足道的。4.）地球的軸向旋轉、軌道旋轉和進動的綜合作用，使一年中的天數不均勻。
現在我們開始討論有趣的事情。如果你盡我們所知去計算，你最終會發現在一個真實的日曆年(回歸年)裡有365.242188931天。如果我們每年都有365天，那麼每過一個世紀，我們的日曆都會有整整一個月的時間不正常。
如果我們每四年增加一個「 閏日」，則每年需要365.25天，這非常接近但不太正確。實際上，這就是我們遵循了大約1600年的舊儒略曆所做的工作。到1500年代後期，這種差異非常明顯（我們的日曆減少了大約10天太多），以至於需要修改日曆。
在義大利，波蘭，西班牙和葡萄牙，1582年10月5日至14日的日期不存在。其他國家在後來的日期跳過了這10天；艾薩克·牛頓（Isaac Newton）在聖誕節那天出生於英格蘭，只是因為他們沒有在1642年之前就跳過這些日期。在世界其他地方，牛頓出生於1643年1月4日。
圖註：儘管許多國家在1582年首次採用公曆，但直到18世紀英國才採用公曆，許多國家甚至在更晚的時候進行了轉換。5.）公曆（陽曆）非常適合閏日。
我們用自然聯合運動的要求來彌補日曆年的不匹配的方式是出色且相對簡單的：
被4整除的每一年都是閏年，除非它也可以被100除而不是400整除，在這種情況下，這不是閏年。這意味著2004、2008、2012、2016、2020等都將是閏年，因為它們都可以被4整除。但是，如果年份是世紀之交，如果它也可以除以400，那它就是閏年。2000年是閏年，但1900年不是閏年，而2100年不是。總而言之，採用公曆，由於公曆的歷年平均長度與回歸年只有26秒之差，要累積3300年才差一日。
圖註：月球對地球施加潮汐力，這不僅引起我們的潮汐，而且會導致地球自轉的制動，以及隨後周期的延長。地球的不對稱性，再加上月球引力的影響，導致地球上一天的長度隨著時間的推移而延長，月球從地球向外盤旋。6.）從長遠來看，我們將需要再次更改日曆。
如果一切都保持不變–我們的旋轉速度，軸向傾斜的方向以及我們繞太陽的軌道運動–該日曆實際上是完美的，但僅目前如此。每次發生地震時，我們的自轉速度都會略微加快，但是這種影響會被日月在地球上的引力作用所淹沒，這會使我們減速。
這種減速效應被稱為潮汐制動，每年平均耗時14微秒。這似乎可以忽略不計，但是隨著時間的流逝，它的確增加了。如果我們檢查一下很久以前潮汐在土壤上的印記，即所謂的潮汐節律，我們就可以算出地球的自轉速度。 6.2億年前，就在寒武紀爆炸發生之前，我們的一天只有不到22個小時的時長，這意味著當地球首次形成時，我們的一天只有6到8個小時。天數的延長意味著，隨著時間的流逝，完成一個日曆年的時間將越來越少。
圖註：巖石記錄的潮汐的節律，可以讓我們確定過去地球的自轉速率。 在恐龍時期，我們的一天接近23小時，而不是24小時。數十億年前，在月球形成後不久，一天接近6至8個小時，而不是24個小時。7.）在四百萬年中，閏日將是不必要的。
隨著幾千年的過去，潮汐制動的這種異常緩慢的效應將開始變得重要。雖然現在，我們只是每18個月左右增加一個閏秒來適應它，但這一天仍在延長。在地球上又過了400萬年之後，這一天將再延長56秒：一個日曆年所需的確切時間是365天。
到那時，我們將要首先減少閏日的數量，然後完全刪除它們，因為它們將完全不必要。 如果人類仍然存在並且保持日曆，那麼我們將考慮進一步的過渡，因為我們將需要開始跳過幾天，以使我們的季節與 我們的日曆。
圖註：雖然今天大約一半的日食在自然界是環食，但地球與月球距離的增大意味著在大約6億至7億年的時間裡，所有日食都將是自然類的環食。8.）地球月球系統的最終命運將與我們今天所經歷的完全不同。
隨著潮汐制動作用的繼續，不僅地球的自轉會減慢，而且月球會慢慢地從地球上旋離。再過幾億年（但不到十億年），月球將離地球如此遙遠，不再有日全食；它們都將是環形的。
假設我們在太陽轉變成紅巨星和行星狀星雲/白矮星組合的過程中倖存下來，那麼地球和月球的軌道周期都會延長直到匹配為止：直到它們都採取大約47個我們現代的日子，這將發生約500億年的未來。與月亮的同一面總是指向旋轉的地球不同，月球和地球將相互鎖定，就像冥王星和冥衛一今天彼此在一起一樣。
圖註：冥王星和冥衛一系統的一個模型顯示了兩個主要質量彼此圍繞軌道運行。「新視野」號的飛行表明，冥王星和冥王星的衛星都不在它們相互軌道的內部，並證實了它們之間的相互潮汐鎖。我們都應該意識到閏日的必要性；沒有閏日，地球的季節、分點和至點都會隨著時間而改變，而不是年復一年地落在同一天。但是，同時，我們也應該認識到，一天的長度不是恆定的，正如一年中的天數不是恆定的一樣。隨著時間的推移，地球自轉的速度繼續減慢，我們需要越來越少的天數來組成一個完整的日曆年，這意味著我們需要一個不斷變化的日曆系統。
但現在，特別是在人類一生的尺度上，公曆——公曆——閏日每4年發生一次，但在不能被400年間隔整除的世紀上——將大有作為。享受你今年的額外一天，你認為合適，並記住，沒有這些閏日，我們的日曆根本不會累積起來。