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为何你没见到日环食?

你真的弄懂了那么多种类的日食和月食的成因吗?你了解它们有什么区别和联系,又遵循什么样的时间规律吗? 日食和月食发生的频率一样吗?什么是全环混合日食?半影月食和月偏食是一回事吗?

你真的弄懂了那么多种类的日食和月食的成因吗?你了解它们有什么区别和联系,又遵循什么样的时间规律吗? 日食和月食发生的频率一样吗?什么是全环混合日食?半影月食和月偏食是一回事吗? “阴晴圆缺“的月相是怎么形成的?月相与日食月食有没有什么关系?月食时的血月是怎么形成的?随便看一眼月亮你就能根据月亮的位置大概判断当时是几点钟吗?日全食会永远消失吗?相信读完本文,当你理解了之后,这一切就变成了有趣的常识,你会有各种各样意想不到的收获。

如果有新闻说找到一批三国时期的竹简,那些文字表明:诸葛亮的生辰是七月初八,那天天降异象“日蚀之”。 你的第一反应会是什么?

如果有人为终于找到原始文献记载诸葛亮的生辰而高兴,或有人沉思疑惑“日蚀之,主贼生”,不是吉兆。你能不能马上笃定地告诉对方,别琢磨了,这消息一定是假的?你知道为什么吗?

我经常问我的学生和我自己这个问题:“如果只带着现在自己脑子里的东西,穿越到古代,你能做什么养活自己,或者还可能做成点什么改变世界?”

我们站在几千年人类文明的肩上,比起古人我们到底多会些什么,又到底多懂了哪些常识?
比如,《春秋》这部编年史记载了公元前722到前479年共244年中的37次日食。古人无法理解日食和月食,用天象战战兢兢地占卜着吉凶。如果我们穿越到古代,能够准确预测日食月食和编历法的话,不仅可以养活自己,大概还会被奉若神明吧。

下图按时间顺序编号展示了未来十年的各种日食和可观测区域。文末附有图表详细列举了未来11年世界各地所有的日食和月食的时间和可观测范围。

图片来源:timeanddate.com

图中红色飘带代表日全食或者日环食的观测区域,而黄色阴影区域标识了纯日偏食的观测范围。2020年6月21的日环食吸引了广泛的注意,很多人遗憾地问:“为什么我们只等到了日偏食?下次日食要等到什么时候?”

中国西部地区,2022年10月25日能再看到日偏食(黄色区域标号6)。而北美洲未来的两次日食将出现在2023年10月14日(日环食,红色飘带标号8)和2024年4月8日(日全食,红色飘带标号9)。错过今年6月21日,中国中部和东部地区要等到2030年6月1日才能再见到日食。

想对日食月食发生的时间和可观测范围给予精确的计算和预测, 前提是弄清楚日食月食形成的基本原理。

本影,半影,伪本影与无影灯

众所周知,在均匀的介质中光沿直线传播。从一个点光源发出的光如果被物体遮挡,就会根据物体的轮廓形成一个清晰的黑影子。可现实中多数的光源(从太阳到台灯)都不是一个点,而是有一定的尺寸,相当于无穷多个点光源的组合。这些所有点光源的影子重叠在一起,就会形成所谓的本影和半影。

半影本影的形成示意图 | 图片来源: 作者

从光源最外侧的点出发,画出沿直线前进的光线以及物体后方的阴影区域,所有阴影都重叠的位置就是本影,这里没有光线到达。被一部分光源照亮的阴影区就是半影;换句话说,在半影能看见部分的光源,半影区没有那么黑。

本影大小与距离的关系 | 图片来源:作者

借用晚上室内的灯光,用手在桌上或墙上做做影子游戏,你就可以明显地看到手与墙面之间的距离,对本影和半影所占的面积比例的影响:物体越远离投影的屏幕,屏幕上本影占的面积比例越小。
那么,有没有可能让本影彻底消失呢?

是的,继续玩影子游戏,你会发现当物体与投影屏幕的距离大到一定的程度(或者光源的尺寸与物体相比大过一定的程度),对应的无穷多个影子就不再能全部重叠于任何区域,此时屏幕上的所有位置都接受到某部分光源的光线,本影消失了。

图片来源:
http://www.sdxkylkj.com/upload/201903/23/201903231109493067.jpg (左)

这其实就是手术台上的无影灯的原理:手术台上的所有区域都处在半影中,被很多光源从各个角度均匀照亮的半影,就是无影的效果。

本影半影伪本影区示意图 | 图片来源:维基百科

总之,本影区是不透明物体后方完全不被照亮的区域(a),半影区是被部分光源照亮的区域(b)。而在本影区的延伸区域(c)有点特殊:光源外围的光线可以到达这个区域,而光源中心的光线不能到达。所以在这里会看到中间被遮挡的光源,这个区域被叫做伪本影区。远离物体,本影消失后,伪本影区出现。

各种日食的形成

有了本影、半影和伪本影的知识,彻底理解各种日食的形成原理就很容易了。
太阳的直径是月球直径的400.5倍(体积是6400万倍),而太阳到地球的平均距离是月球到地球的平均距离的395倍,所以从地面看起来太阳和月亮差不多大,在月球运行到日地连线之间时,能遮住太阳,形成日食。

比如说,当月球遮挡阳光,在地球表面投射出本影和半影的时候,本影区域内的人就会观察到日全食(Total Solar Eclipse,在那个时刻完全看不见太阳),而在半影区域的人会看到被月球遮挡了一部分的太阳,观测到日偏食(Partial Solar Eclipse)。

图片来源:教科版小学科学六年级下册《日食和月食》课件

因为月球和地球的公转轨道都是椭圆,地月距离会在35.0~39.9万公里之间发生百分之十几的变化,地日距离会在1.47亿~1.52亿公里之间发生百分之三的变化。所以当地月距离远一些,地表可能离开了月球的本影区,进入了月球的伪本影区。在且只有在伪本影区内,能看到中间被挡住的环形太阳——日环食(Annular Solar Eclipse),此时半影区域的人仍然观测到日偏食。

因为日月的直径之比,与日月分别到地球距离的之比很接近,所以地表的位置通常很接近月球本影区和伪本影区的分界点。于是,无论月球的本影还是伪本影出现在地表,都是很小的一个区域。这就是为什么能观察到日全食或日环食的区域比能观察到日偏食的区域少得多的原因。

在日食发生期间,月球一直围绕地球从西往东转,日月连线的方向一直在变化(加上地球自转和公转的影响)月球的本影或伪本影会在地表覆盖出一条长而窄的带状区域,此带装区域内的人们自西向东会在不同的时刻观看到日全食或日环食。而半影则会在本影周围覆盖更广的观测区域。

图片来源:
http://beagle.lamost.org/blog/content/uploadfile/201912/abf21575341865.gif

混合日食原理示意图丨图片来源:timeanddate.com

更罕见的是,如果在一次日食期间,月球的伪本影和本影先后投影在地球上,则能在不同的地方分别观测到日环食和日全食。那是地表位置紧临着月球本影和伪本影分界点才可能出现的现象,被称为混合日食或者日全环食(Hybrid or Annular/Total Solar Eclipse)。上次全环食发生在2013年,而下一次将发生在2023年4月20日,在澳大利亚附近可见。

其实,也并不是每一次出现日食的时候,都存在日全食区或者日环食区。在有些日食的整个过程中,地球都只进入了月球的半影区的一侧,地表始终没有出现本影或伪本影,这类日食就是纯粹的日偏食。现在我们就能很好地理解下图中红色细带状的日全食或日环食观测区,和黄色大范围的纯粹日偏食观测区了。

图片来源:timeanddate.com

各种月食的产生

我们小学的时候爬到5楼天台看月食,书上说月食是因为地球挡住了月亮,小伙伴边看边评论:“地球明明在我脚下,怎么挡住了天上的月亮?”你能解释清楚吗?还有,你是否觉得新闻报道里的月食似乎远多于日食,为什么呢?月食发生的频率真的远比日食高吗?

分析月食和日食的最大不同在于,要考虑月亮本身不发光,月光是月亮对太阳光的反射。大家都知道当地球在太阳和月亮之间,遮挡了原本射向月球的阳光,就会形成月食。

图片来源:作者

讨论月食最常见的一个错误,就是误以为月亮进入地球半影区的时候就得到月偏食。
其实,即使月球整体都在地球的半影区内,地球也只遮住了一部分来自太阳的光线。此时月球朝向太阳的这一面,全都能够看到日偏食,也全都有太阳光可反射,这时的月面,并不会因为地球的半影而缺失一块,仅会在亮度上减弱。所以这并不是月偏食,而被叫做半影月食(Penumbral Lunar Eclipse)——局部或整体亮度减弱,并非某处月面彻底缺失。
而只有当一部分月球开始进入地球的本影时,这一部分月球才彻底失去太阳的照耀,此时才开始月偏食。月食的月面缺失是从月球进入地球本影区开始的,直至完全走出本影区而结束。
在这个过程中,如果存在一个时间段让整个月球都进入地球的本影区,那就是月全食(Total Lunar Eclipse),在食甚的时候“天狗”会完全“吃掉”月亮。

如果月球始终没有完全进入地球的本影,则只会看到月偏食(Partial Lunar Eclipse)。“天狗”好像只咬了几口又就吐了出来,没有吞掉月亮,如下图所示。

图片来源:http://www.kaimalo.com/ 月食和日食另一个很大的不同在于,日食发生的时候,只能在(伪)本影和半影的小范围内可以观测。可月食发生的时候,面向月球的那半个地球都能同时观测。再加上整个过程中地球的自转效果,导致每次有月食发生,在大半个地球范围内都能看到(至少一部分时间)。

这就是为什么我们在各地能观察到的月食都比日食要多的主要原因。2020年共有四次半影月食,7月5日这次美洲欧洲非洲可见,而11月30日那次中美皆可见;2021年则有一次月全食一次月偏食,都是中美皆可见。

图片来源:timeanddate.com

那么,为什么我们不曾听说月环食呢? 在月亮上有可能观察到日环食吗? 在任何位置可能观测到因地球遮挡阳光而形成的月环食吗? 还有如何根据曲率半径一眼分辨一副过曝的黑白照片是日偏食还是月偏食? 诸如此类的有趣问题。如果你真正理解了以上信息,并且能考虑太阳直径是地球的109倍,以及前面提到的日月地之间的距离差异,相信你会有清晰的回答。

伴随月食的血月是怎么回事?

当月球完全进入于地球的本影区内时,按说太阳光不能到达月亮,所以通常在人们的想象中一次完整的月全食演化应该是左图这样的:

图片来源:Getty Images/Science Author–DR FRED ESPENAK

可实际上我们却经常看到或者拍到右图这样的月食演化:在月全食食甚的时候,我们可以看到一个暗淡的暗红色的月亮,人们称它为血月。(事实上,血月比正常白色的月光要暗淡很多,右图中心照片经过亮度调整并叠加,才能如此呈现。)在月偏食期间,当大部分月面进入地球本影后,也会呈现微弱的暗红色(而不是完全黑掉)。这是怎么回事呢?
地球表面有厚厚的大气层,大气可以折射阳光,还可以朝不同方向散射阳光,所以即使在地球本影区内,仍然不是彻底漆黑。极其微量的光会在被地球大气层折射后绕过地球,到达月球表面。

另外,大气中微小水滴和尘埃对各个颜色的光朝不同方向进行米散射(Mie scattering),形成不透明的雾和霾。而干净干燥没有雾霾的大气层,只有空气分子对阳光进行瑞利散射(Rayleigh scattering)。瑞利散射偏好短波长的蓝紫光,于是我们晴天能看到湛蓝的天空,在空间站能看到地球被呈现湛蓝色的大气层包围。而长波长的红橙色光更容易穿越大气层,因此地平线附近的夕阳看起来是红的。

也因为如此,穿过地球大气层拐弯抵达月球的微弱的光,不仅暗淡,而且偏红,其余颜色因瑞利散射所剩无几。要知道月球就像张白纸或者石头,用强白光照它,它呈现亮白色; 用弱红光照它,它呈现暗红色。当月球因月食非常暗淡时,拐弯抵达月面的微弱红光才得以呈现。这就形成了吸血鬼小说中常见的月食过程中的血月。这与月升月落时偏红黄还有夕阳偏红黄的原理不太一样。日出日落和月出月落偏红都是在大气层内朝地平线方向看到的效果。而即使到大气层外太空里去看,月食期间的血月也是暗红的。

然后你再想想,这种血月会在半影月食的时候呈现吗?为什么呢?

关于月相你可能不知道的那些事

“人有悲欢离合,月有阴晴圆缺,此事古难全。”古今中外都有人为月相的变化留下过动人的文字。月相到底是如何形成的?月相与日食月食的关系又是如何?

月相形成原理丨图片来源:作者

理解月相的关键仍然是不要忘记月亮本身是不发光的,我们看到的月亮只是被太阳照亮的那一部分。在一间漆黑的屋子里,拿一个球甚至一个橙子,用手电筒或者台灯,远远地照亮这个球,你会看到这个球永远只有一半被照亮。而我们从不同的角度观察它,就会看到所有的月相。

月球(上)的相和金星(下)的相丨图片来源
https://skyandtelescope.org/online-gallery/phases-of-moon-venus/

“缺失”的那部分月亮,当然还在那里,只是没被阳光照亮而已。其实有时候来自地球的反光能照到那部分月亮,让那部分月亮也呈现出黯淡的轮廓。另外,不仅月亮有月相,各大行星也有变化的“相”,因为行星也不发光,也只有被太阳照亮的那一面是亮的。金星相(见上图右下方)跟月相原理一样,形状类似,可以通过望远镜清晰地拍到。

月相变化示意图 | 图片来源:作者(左); www .kaimalo.com (右)

如上图所示,当阳光从右侧照来,月球只有右侧被照亮。而月球公转周期是27.3天,加上地球在这段时间走过的路程,月亮要约29.5天(农历一个月)才相对于日地连线完整地转一圈。在右图中我们把的日地连线始终固定在左右方向,并画出月亮相对于日地连线在农历一个月内的位置变化。

当月球与太阳都在地球的同一侧,月球被太阳照亮的那一面就背对地球,从地球上看过去,月相最小,甚至一点都没有,农历把这一天定为初一。相反,当月球恰好与太阳分在地球的两侧,月球被太阳照亮的那一面正对着地球,在地球上会看到满月,那是农历的十五十六。在农历一个月的时间之内,月地连线相对于日地连线的角度连续变化,从地球往月亮看,就会看从朔月、娥眉月、半月、凸月到满月,再一步一步回到残月、新月的变化。
说到这里,不由想起一则新闻:一小学生作文描写天上挂着太阳,还挂着半个月亮。老师批评说,太阳出来时月亮就落山了。真的是这样吗?

事实上,仅仅只在满月的日子,日与月是正对着分居于地球两侧,自转的地球上某处经历日落的同时会迎来月出。同理,月落与日出大致同步,但这仅限于满月之日。

在农历月初一的时候,月球与太阳在地球的同侧。在地球上会看到月亮几乎与太阳同时升起,同时落下。其实整个白天月亮都跟太阳一起挂在天上。只是这一天月亮对着地球的那一面基本没有被太阳照亮,朔月太细太小,在明亮的太阳附近,很难被看见。

所以,农历初一的月出时间接近日出的时间,而到农历十五月出时间变成了日落时间。在这之间期间,月升和月落的时间连续变化,每天比前一天晚四十几分钟,经过一个月相周期(29.5天)又回到初一的情况,与日出日落几乎同步。于是不仅白天可以根据太阳在什么方位大致估算时间,夜晚看看月亮也能估计时间。不过,首先要根据月相的大小估计一下农历的日子,换算下当天月出月落的大致时间,再比较月亮此时的位置才能估时。

正因如此,在农历的下半月,月亮每天都比日落更晚出来,黄昏过后和前半夜可能还看不到月亮,反倒在上午容易看到半个月亮。而在农历的上半月,月亮早就已经升起来了,到后半夜就已经落下去了,往往在下午容易看到半个月亮。
下次当我们哼歌“夜色茫茫罩四周,天边新月如钩”的时候,要知道,新月如钩跟太阳在地球的同一侧。傍晚之后的新月其实快落下了,得往西边看才能看到(农历月初);快黎明的时候新月其实刚刚升起,得往东边看(农历月末)。你想过吗?

日食、月食和月相的关系

读到这里细心的读者会发现:日月地连成一线,月球挡住太阳——日食发生的时候,只能是月相几乎为零的日子(农历初一)。而日地月连成一线,地球挡住射向月球的阳光——月食发生的时刻,只能是满月的日子(农历十五六)。

于是我们可以断言,农历某月初八的日食或者月食一定是杜撰的。若哪位史学家或者穿越小说家说,秦王嬴政出生在正月初一或者夏历十月初一,那天有月食发生,你知道那准是骗人的。
也有人根据以上月相图会追问,既然如此,为何不是每个初一都会发生日食(日月地成一线)并且每个十五都会发生月食(日地月成一线)?
事实上,之前的月相图是画在平面上的,而月球围绕地球的公转轨道(白道),与地球公转轨道(黄道)并不在一个平面上,这就是平常说的黄道白道之间的夹角(5.14度)。所以每月初一,月亮都与太阳在地球的同一侧,但未必能三球连成一条线。

白道与黄道之间存在夹角丨图片来源:作者

这个夹角令三球对齐的概率大大降低,所以并不是每个初一或十五都发生日食或月食。而且,就算有时三球部分对齐,也会有中心始终不够对齐的情况,这时则会发生纯粹的日偏食和月偏食(比如月球不能完全进入地球的本影区发生纯月偏食,地球只经过月球的半影区发生纯日偏食)。

因此,日食和月食总是相伴发生。当日食发生时,月地连线和黄道在一个平面上,所以在那之前或之后半个月,月球绕到地球另一侧通常会也发生一次月食。(日食总是在月食两周前或者两周后发生)。通常是一次日食一次月食相伴发生(间隔半月),也有时候会有三次日月食连续发生。比如2020年6月6日的半影月食、6月21日的日食和7月5日的半影月食。

考虑由万有引力主宰的地球和月球各自的公转轨道,可以严格计算出地球和月球的位置随时间变化的轨迹,准确预测日食和月食每次发生的时间,持续的时间和可观测范围。虽然黄白交角的存在和公转轨道的椭圆性质,使这样的计算具有一定的复杂性,但至少读到这里,我们对日月食发生的原理,预测方法和与月相的关系等常识都有了清晰的了解。

总之,平均而言在多数的年份中都会发生两次日食和两次月食。少数年份里有三次,极少数年份里可能达到四次,那多半是因为比较偏的日偏食(例如2000年)或者半影月食(例如2020年)的贡献。日食的可观测范围远小于月食的,所以通常平均好几年才能在某地观看到一次日偏食,而由于日全食和日环食的观测范围太狭小,平均要间隔近400年才能在同一个地方再观测到一次日全食。

江边何人初见月,江月何年初照人?早在人类还未诞生之前,日地月系统已经这样规律地运行了亿万年,而人类短短几百年的科技史已经为我们揭开了太多古人不能理解的奥秘。

但实际上,这一切也不都是亘古不变的。比如说,利用激光,地月距离的测量可以精确到毫米。事实上由于潮汐加速,现在月球正以3.8厘米每年的速度远离地球。在很多亿年以前月地距离更近,那时候在地球上看不到日环食。而在未来(几亿到十亿年以后),地月距离将远到让地球无法再进入月球的本影区(月球将不足以遮挡整个太阳),地球上将不再出现日全食,而且到那时候太阳也演化得更亮、更难被彻底遮挡,于是就只剩日环食和日偏食了。

对日食月食的观测和精准预测是天体物理学里重要的话题,有助于测量和验证与天体轨道有关的各种参数,以及它们的变化。日全食也为排除太阳光和辐射的干扰进行科学实验提供了难得的机会。

此外,不仅月亮遮挡太阳形成日食,行星也可以遮挡太阳形成金星凌日、水星凌日等天象,行星凌日的原理与日食是一致的。“凌日法”是发现和研究太阳系外行星的两个重要方法之一。科学家对太阳系外行星的寻找和探索与科学家对宇宙起源的研究分享了2019年诺贝尔物理学奖。很大一部分太阳系外行星的发现,就是靠观测那些恒星被自己的行星遮挡的亮度变化以及发生的周期而推算出的。人类对太阳系外行星,对宇宙的探索在加速进步。

从古人战战兢兢占卜,到现在我们站在整个人类文明的肩膀上,比起古人,我们到底多掌握了哪些常识,多理解了哪些原理?如果不能带别的东西,只带着你大脑里的一切穿越回古代,你能够做些什么古人做不到的?是值得经常思考的问题。

资料来源

[1] www.timeanddate.com

撰文 | 满威宁

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