日月食表

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   日食的基本原理与现象
 
日 食

    晴空中的太阳正在被月亮圆圆的黑影侵蚀,日食发生了。早已得到消息的人们拿出黑胶片或熏黑的玻璃,观察着,议论着。黑影逐渐变大,然后又逐渐退出,日食结束,一切复原。日偏食并不罕见。地球上平均每百年发生240次日食,在很大的范围内都可以看到偏食现象。对于地球上的任一地点,平均3年左右就能见到一次。日全食才是真正的奇观。月亮的黑影越来越大,太阳只剩下蛾眉似的弯钩。天空迅速变暗,气温明显下降。由于太阳对地面各处辐射加热程度的变化,有时会刮起一阵阴风。飞鸟、家禽和家畜面临突然到来的黄昏,不安地返回巢舍。“蛾眉日”越来越细,终于完全消失。在最后一刹那,“黑太阳”的边缘出现一串光亮的颗粒,称为“贝利珠”。这是因为月亮边缘有高低不平的环形山,最后几缕阳光留在山谷低处,在黑暗的背景上闪亮如珠。突然降临的黑暗恍若深夜,星斗灿然出现。由于全食区范围有限,远处天边还留着一带霞光。月影周围显出平时看不到的日冕,它苍白的辉光向外逐渐减弱,这是太阳的高层大气。日全食只能持续几分钟(最多7分半),接着是另一边的贝利珠,然后是蛾眉日。月影逐渐退出太阳,天空快速转亮,人们仿佛从梦境中走出。日全食是很罕见的现象。对于地球上某一固定地点,平均大约300年才能见到一回。但是对于整个地球,每世纪平均发生60余次。月球的影锥尖以每秒1公里的速度自西向东从地面上掠过(由于地球自转,地面各处的相对速度不一),地球上只有窄窄的一条带上的地方才能看到全食。因此,热情的天文发烧友们不远万里来到预计发生全食的地点,以一睹这旷世美景为乐。有时,旅游公司会包租豪华游轮,载着一船“追星族”到海上去跟踪月影,来一次浪漫的日食游。日全食对于天文学研究有不可替代的重要意义,因此几百年来,天文学家几乎不放过任何一次日全食,有时甚至包乘飞机在天空追赶月影,以延长全食的时间,获取更好的观测资料。当月亮离地球稍远的时候发生日食,较小的月面不能将日面全部挡住,这时就发生日环食。这时太阳像一个闪亮的金环挂在天空,神奇的情景令人惊叹。有时,日食带上的一部分发生全食,另一部分发生环食,这样的日食称为全环食。

 日食原理

    在地球绕太阳公转和月亮绕地球公转的过程中,当月亮运行到太阳和地球之间时,如果三者排成一条直线,在地球上的一部分地方就会看到月亮挡住太阳,发生日食。因此,日食只会在阴历朔日(初一)发生(每逢初一,日、月、地大致排成一线)。
月亮在太阳的照射下,在背光的一面产生影子,如图1-1所示。图中A称为月亮的本影,B称为半影,C称为伪本影。显然,观察者位于A处看到日全食,B处看到日偏食,C处看到日环食。一个有趣的事实是,尽管太阳直径是月亮的400倍,比月亮大得多,但它与地球的距离恰恰也是月地距离的400倍,比月亮远得多。这样,从地球上看来,太阳和月亮的圆面几乎一样大。由于地球和月球的公转轨道都是椭圆,日地、月地距离不断变化着,因此从地球上看来,日面、月面直径都有微小的变化。日面直径从31′28″ 到32′32″,月面直径从29′22″到33′26″。在这种情况下,不难想像,日食发生时,地球处于图1-1中本影锥尖(即A区和C区的交界点)附近(当然,随着地、月的运动,B区还要扫过地球)。全食时,观察者位于锥尖左边一点,月面略大于日面;环食时,观察者位于锥尖右边一点,日面略大于月面。当地球特别接近本影锥尖时,它的一部分落入本影,见到全食;另一部分落入伪本影,见到环食。全食、环食和全环食统称为中心食。

 

图1-1 月影与日食

本影锥落到地面上最大直径可达270公里,这是全食带的宽度上限。当然,月影会倾斜地投在地面上,造成更宽的食带,尤其是高纬度地区。

    地球公转轨道(黄道)和月亮公转轨道(白道)并不在同一个平面上,而是有5º度的倾角,因此并不是每个朔日都发生日食。在地球上看来,太阳在黄道上由西向东运行,每年一周;月亮在白道上同方向运行,每月一周(恒星月27.32天)。月亮每月(朔望月29.53天)都会赶上太阳一次(合朔)。只有当太阳在黄白两道的交点(升交点或降交点)前后18º以内被月亮赶上,日食才可能发生(在前后15º以内必定发生)。这个范围称为食限,如图1-2所示。


图1-2 日月在黄白交点附近的视运动

图1-2是白道升交点的情形。图的左侧显示月面和日面刚好相切,看不到日食,这是地心的情景。显然,在地心以北,是可以看到日食的。合朔时太阳若在右侧一点,地心就可以看到;再向右,更南的地方也可以看到。显然,日食的情况与合朔时太阳在食限中的位置有关。最左边发生地球北极附近看到的偏食,靠右是北极附近看到的中心食,合朔时的太阳位置越靠右,食带越靠南。当合朔时太阳在交点附近时,中心食带就在地球赤道附近。食限的右侧则出现南极附近的中心食,南极附近的偏食(这时太阳在食限的最右侧)。在白道降交点附近,情况刚好相反;从左到右,先后是南极偏食、南极中心食、赤道中心食、北极中心食和北极偏食。
太阳从西向东经过这段食限大约需要36天,比朔望月长一些,所以这段时间内最少发生一次日食,最多发生两次。这段时间称为一个“食季”。半年之后,太阳到达另一个交点附近,又发生另一个食季。由于黄白道交点在黄道上缓慢移动,太阳两次通过同一交点的时间间隔,即一个“交点年”,为346.62天,比回归年(365.25天)稍短。一个回归年最少有两个食季,每个食季最少发生一次日食,因此每年最少有两次日食。由于交点年比回归年短19天,一年中最多可以有2.5个食季,发生5次日食。实际上平均每年发生日食2.4次。连着两个月发生日食,必然是两个日偏食,一个在地球北极,一个在地球南极。这一点,通过图1-2不难理解。因此,在地球上任一地点,都不可能连续两个月看到日食。表1-2给出一个一年五食的例子,它包含两对“比月而食”。表中gamma表示月影锥轴到地心的最近距离,详见后文。最右一列对于偏食表示食分,对于全(环)食表示延续时间(分:秒)。两对比月而食显示出上面指出的特征。