书城童书奇妙的日食与月食现象(宇宙瞭望书坊)
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第5章 日食原理与三种日食

苏东坡脍炙人口的词句“月有阴晴圆缺,此事古难全”,表述的就是月相不以人的意愿而客观地周期变化。月相周期变化的原因有2个:①月球、地球和太阳的周期性“会合运动”;②月球本身不发射可见光,而我们看到的只是月球被太阳光照亮的部分。

月球绕地球转动的同时,还和地球一起绕太阳公转,因而月球在天球上相对于太阳的视运动是一种会合运动。当月球运行到地球与太阳之间、月球与太阳的地心黄经相同之时(定为农历月的初一),月球未被太阳光照的暗半球对向地球,“视而不见”,这称为朔或新月。随后,月球与太阳的黄经之差逐渐增大,向东偏离太阳,日落后在西方看到月球被太阳照亮的小部分呈弯向太阳的镰刀形“娥眉月”。当月球与太阳的黄经之差达90°时,我们看到月球被太阳照亮半球的一半而呈半圆形,称为上弦月。其后,我们看到月球被太阳照亮的部分更多。到月球与太阳的黄经之差达180°(农历每月十五或十六)时,可以看到月球被太阳照亮的全部半球呈圆形,称为满月或望。望之后,我们看到月球被太阳照亮的部分逐渐减少,当月球与太阳的黄经之差达270°时,我们看到被太阳照亮的月球另半球而呈半圆形,称为下弦月,而后在黎明前看到呈弯向太阳的镰刀形“残月”。

经过1个朔望月,又开始下次新月和重复的月相变化。虽然在月相变化中,我们看到的只是月球被太阳照亮的部分,月球没有被太阳照亮的其余部分也不是完全黑暗的,仍依稀有“灰光”,尤其用强光力望远镜可以观测到月球的灰光部分。月球的灰光是由于地球反射少量太阳光照到了月球的背太阳部分。

在中学和小学,常用太阳、地球、月球三体运行仪来演示它们的会合运动及日食和月食的原理,而实际情况还要复杂得多,也很难按比例来准确图示,而用近似的示意图还是可以说明一些情况的。这是设想自己从“外星人”角度来观察的情况。

月球绕地球转动的轨道面称为“白道面”,它与地球绕太阳公转轨道面(“黄道面”)的平均交角为5°8′4342″,白道面与黄道面的交角以173天周期变化±9′。白道面与天球相交的大圆称为“白道”,从地球上观测,月球每个“恒星月”沿白道视运动一圈。白道与黄道有2个交点:月球从南到北穿过黄道的“升交点”和从北向南穿过的“降交点”。月球轨道的近地点与远地点连线——拱线也不断地自西向东进动,进动周期为8·849年。按不同的基准来计量,月球的轨道运动周期有4种表述:①恒星月是以恒星为基准,月球在星空天球视运动一圈的周期,实际上是月球绕地球转动一圈的时间间隔,1恒星月为27·32166天(“天”就是“平太阳日”);②近点月是月球连续两次经过近地点的时间间隔,1近点月为27·55455天;③交点月是月球连续两次经过升交点的时间间隔,1交点月为27·21222天;④朔望月是月相变化的周期,它是以太阳为基准的会合运动周期,月球与太阳的地心黄经连续两次相同(朔)的时间间隔,1朔望月为29·53059天。

只有月球在“朔”且恰好经过白道面一黄道面的“交线”很近时,才可能发生日食。别的“朔”时因月球离黄道面远,就不会发生日食。

月球绕地球转动的轨道和地(球)-月(球)系绕太阳公转轨道都是椭圆,太阳一地球距离变化于0·9832603~1·0167056天文单位(1天文单位=1·4959787亿千米),地球-月球距离变化于约356400~406700千米,相应地,太阳视圆面(简称“日轮”)的角直径变化于31′28″~32′32″,月球视面的角直径变化于29′22″~33′26″。

由于月球不发射可见光,在太阳(日轮)光照射下,月球后面形成日轮光完全照射不到的“本影”和有部分日轮光照到的“半影”。月球本影呈圆锥形,长度变化于366900~379700千米。把这些数值进行比较,就可以得出:月球本影锥的顶点有时可达到或超过地球表面,有时达不到地球表面。于是,按照地球表面与月球本影锥相交情况的不同而发生3类日食:

(1)日全食。月球本影锥超过地球表面,在本影锥内的地面区完全看不到日轮,即月球完全遮住了日轮,这是观测暗淡的太阳大气——色球和日冕奇观的最好机会。

(2)日环食。月球本影锥顶点达不到地球表面,但在其延长的“伪本影”内地面区可看到日轮外部的环形部分,即月球遮住了日轮中央大部分而外缘仍显露。若露出的环很细,也可以看到“贝利珠”。

(3)日偏食。在月球半影内的地面区只看到部分日轮,即月球只遮住部分日轮。一种情况是月球本影锥完全偏过地球,仅半影跟地球表面相交,整个地球都看不到日全食或日环食。另些情况是日全食或日环食时,在月球半影区内看到日偏食。

此外,就整个地球而言,还有“全环食”,这是由于在整个地球的日食全过程中,月球本影锥顶点在小段时间达不到地面某区、而另段时间超过地面另区。实际上,由于月球的视运动很快,月球的本影和半影都扫过地球表面局部地带——本影带和半影带。本影带的宽度可达约270千米,半影带宽度可达约7000千米。