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在上一篇文章中,笔者简单描述了日月食的成因。而文末笔者提到了,日月地三者共线的程度以及月地距离,决定了日月食的分类。在这篇文章中,笔者准备好好聊一下,日月食具体有哪些类型,以及这些类型出现的条件。
在上一篇文章中笔者已经提到,月球的本影延伸距离和地月距离是差不多相当的。实际上,这两个距离允许取值的范围有重叠,因而可以说,月球的本影延伸距离有时会比地月距离大,有时会比地月距离小。这就意味着,有的时候月球的本影可以投到地球上,而有的时候只能是伪本影投到地球上。这就带来了我们要讨论的前两种分类:
当月球离地球比较近的时候,月球本影可以投到地球上,这种日食叫做日全食。而月球离地球比较远的时候,月球本影投不到地球上但伪本影可以,这种日食叫做日环食。而由于地月距离和月球本影的延展距离差距并不大,因此月球本影的最远点其实应该并不距离地表太远。换句话说,当本影或伪本影区域真正投射到地表的时候,覆盖的范围其实是很小的。这也就直接造成了,日全食和日环食发生的时候,只有地球上很小区域的人可以看到全食或环食。在这样的区域中,如果是全食,月球可以在适当时刻把太阳全遮住;如果是环食,月球可以在适当时刻完全位于在日面之内,使得日面看上去像一个环。日全食和日环食发生时的示意图如下:
另一方面来说,月球公转和地球自转方向大体一致。而月球相对地球的运动速度差不多是1km/s,由于月地距离远小于日地距离,我们可以认为月影在地球表面移动的速度应该至少是这么快(我说“至少”是考虑到地球的弧度,这个弧度只会加快月影在地表的移动速度)。然而地球自转的速度即使在赤道也只有约0.465km/s。这样一来,月影移动的速度总会比地球自转速度快。因此,大体上来看,月球相对于哪怕是在自转的地球的表面来说,都是大体上自西向东移动的。这样的移动就导致月球影子在不同的时刻覆盖着地球上不同的区域。我们把所有时刻的区域都给在地球上画出来,就得到了日食带。每一次日食都有自己的日食带。在日食带之内,不同地方的见食情况和时刻都不同,西边的人会比东边的人更早看到日食。因此,日食没有统一的“时刻表”,最多只有“部分城市见食时刻表”。
我们还注意到,日食带的最西边和最东边有两个大致南北走向的带状区域,有“日出/落时初亏/食甚/复圆”的字样。这个区域里的人,会在日食发生的期间迎来日出或日落。这样的现象称作带食日出/日落。我们后面会谈到初亏/食甚/复圆这些的意义。
在刚才的讨论中,我们提到了在日食带中有很多人只能看到日偏食。其实,任何一次日食都会有人看到日偏食。然而,这要和作为日食分类类型的“日偏食”加以区别——如果“日偏食”作为一次日食的类型,那必须是所有能看到日食的人都只能看到偏食。下面我们来讨论“日偏食”作为日食的分类是什么情形。
在之前的讨论中,我们已经看到日全食的发生需要月球离地球足够近。而我之前写关于潮汐的文章的时候提过,由于地球表面的摩擦力造成的对潮汐运动的阻碍,潮汐鼓包并非严格指向地月连线方向,而是要相对月球运动超前一些(“超前”是因为地球自转角速度大于月球公转角速度)。因此,月球不断被潮汐鼓包向前牵引,导致月地距离有平均每年3.8cm的增大趋势。与此同时,按照主序星的演化规律,太阳的半径也会渐渐变大。这两个效应一叠加,就导致日全食会变得越来越稀少。10亿年后,日全食会消失。
我已经提过,日月食的发生需要日月地完美共线,而月球轨道和地球轨道的夹角使得这样的完美共线并不是总能发生。有的时候,日月地三者会达成“半完美共线”——月球稍微偏了那么一点点,使得本影和伪本影都投射不到地球上,但半影可以投射到地球上。这种时候,地球上能看到日食的人都只能看到日偏食,不会出现日面被月球完全遮挡或者月球完全被日面包含住的情形。这样的日食就称作日食分类意义上的“日偏食”。下图是日偏食(日食类型意义)发生时的示意图:
到此为止,粗看上去日食的全部分类就结束了……
并没有!
要知道,地球是球形,也就是说月球到地表各点的距离并不相等。而这就给了最后一种日食以出现的可能……
在全食和环食中,有五个重要的时刻有专门的名称去描述:
对于偏食,或者在全/环/全环食中看到偏食的人来说,食既和生光时刻自然不复存在,因此只剩下初亏,食甚和复圆三个时刻。它们的定义保持不变。
在上面的日食带图中,或许有细心的读者已经注意到了一些蓝色的线以及上面标注的数字。这些数字是食分,而蓝线就是“等食分线”。食分是衡量日食程度的重要指标。在偏食或环食情形,它的定义是:在食甚时刻,取日面中心被月面遮挡最多的一条直径,这条直径被遮挡的比例就是食分。这个食分必须在0到1之间。对于实际的日环食,食分不会低于0.9。而在全食情形,它的定义可以这么理解:在食甚时刻,将日面中心固定而半径放大的特定比例,使得放大后的日面内切于月面内部。这个比例就称作食分。这个食分必定大于1,但对于实际的日全食不会超过1.1。
在之前的文章中,笔者提到过月球的本影延伸距离和地月距离是差不多相当的。而地球由于半径大,其本影的延伸距离也长,会比地月距离长很多。再加上地球本身比月球大不少的半径,我们或许可以猜想:在地月轨道距离,地球半影的尺寸或许能比月球大不少。不妨检验一下:从几何关系上说,在日-地连线延长线上距离地心为的地方的点,到地球本影边界的最短距离由下列关系给出:
即使取最小可能的(近日点),取最大可能的地月距离,取和,也有km,明显大于月球半径1737.4km。这就说明:月食分类中,没有“月环食”,因为不存在地球本影只覆盖月面内部某个区域的情形。
这样一来,月食的分类完全由日月地三者的共线程度决定:
月食和日食有着一个很本质的不同:月食发生的时候,地球上的所有人都是远远看着月球的运动,就好比在台下的人看台上的戏一样。所以说,月食发生的时刻是全球统一(当然要考虑时差)的,一般网上可以查到统一的月食时刻表。而日食是月球的影子扫过地球表面,不同的地方看到的情况的时刻是不一样的,就好比台上的戏曲演员拿着手电筒对着底下的观众扫射,不同观众看到的灯光的情况和时间是不一样的。
而这个本质的不同也带来一个直接的结果:月食发生的时候,只要是夜半球,基本就能看到(因为毕竟月球和太阳分居地球的相反方向,所以可以粗略认为月球在天上太阳就在地平线以下)。而日食发生的时候,只有日食带的人能看到。因此,虽然客观上日食和月食的发生频率基本相当,但从个人体验来说,看到月食比看到日食更频繁。
类似于日食,月食也有专门描述其阶段的一些名词,以及食分这个概念。
在月全食中,有七个重要的时刻有专门的名称去描述:
在月偏食中,食既和生光不复存在,其他定义保持不变。在半影月食中,只有半影食始,食甚,半影食终这几个阶段。
类似于日食,月食也有食分的概念,它定义为食甚时刻月面进入地球本影的最大深度和月面直径的比值。显然,月全食食分>1,月偏食食分在0到1之间。而如果出现半影月食,把刚才定义中的“本影”改成“半影”,就得到了半影食分。
到此,我们已经了解了日月食的原理和分类。下面,我们要开始真正观测日月食啦!