日全食-人生能得幾回見

1、日全食人生能得幾回見 李鑒 我想大家拿到這本雜志時，多半還沒有見過日全食的盛況吧？盡管日全食出現(xiàn)在各種媒體上的頻率并不比某些明星的曝光率低，但對生活在某一固定地點的我們而言，要想一睹它的風采，無疑比見到那些明星困難得多，因為即便在全球范圍內(nèi)看，日全食每年最多也只上演一兩次，而且那動人心魄的精彩“演出”總是轉(zhuǎn)瞬即逝，短暫得令人扼腕。 不過，日全食雖然看上去似乎難以捉摸，但由于地球繞太陽和月亮繞地球的公轉(zhuǎn)運動都有一定的規(guī)律，因此日食和月食的發(fā)生必然也具有規(guī)律性，日全食當然不會例外。早在5000多年前，我們的先輩就發(fā)現(xiàn)了日月食的某些規(guī)律。如果我們仔細查看本雜志附錄中的日食表，就會發(fā)現(xiàn)日食的發(fā)生也是有

2、周期的，其中最著名的就是“沙羅周期”。沙羅周期 古代的巴比倫人根據(jù)對日食的長期觀測，發(fā)現(xiàn)日食的發(fā)生有一個223個朔望月的周期。這個223個朔望月（相當于18年11.3日或18年10.3日（如果有5個閏年）的周期被稱為“沙羅周期”，“沙羅”（Salo）一詞在拉丁語里就是重復的意思。在這段時間內(nèi)，太陽、月亮和黃白交點的相對位置在經(jīng)常改變著，而經(jīng)過一個沙羅周期之后，太陽、月亮、地球的相對位置又回復到和原來幾乎相同的位置上，因此地球上就會看到和上次相類似的日、月食。注意，沙羅周期并不是指兩次日食之間的平均時間間隔，而是發(fā)生兩次“類似”的日食的時間間隔，例如2002年12月4日大西洋、非洲南部、印度洋、

3、澳洲等部分地區(qū)發(fā)生了一次日全食，全食持續(xù)時間是2分3秒，一個沙羅周期后（2020年12月15日），太平洋、南美洲南部、大西洋等地的部分地區(qū)發(fā)生日全食，持續(xù)時間為2分9秒，與上次幾乎相同。而從2002年12月至2020年12月這段時間內(nèi)，還會發(fā)生11次日全食，但是它們與這兩次不屬于一個沙羅周期。平均而言，每個沙羅周期內(nèi)發(fā)生大約71次日、月食，包括日食43次（全食、環(huán)食、全環(huán)食），月食28次。 沙羅周期之所以會存在，其根本原因是地球繞太陽、月亮繞地球的運動具有一定的規(guī)律性。在深入理解沙羅周期之前，讓我們先來熟悉幾個天文學上的基本概念。 黃道與白道 我們知道，月亮在圍繞地球運動（軌道是個橢圓），周期

4、為一個月；地球同時又在圍繞太陽運動（軌道也是個橢圓），周期為一年。天文學上把月亮的繞地球運動軌道面稱為“白道”，把地球繞太陽運動的軌道面稱為“黃道”。白道與黃道并不在同一個平面上，它們之間存在一個交角，平均為5°09´。我們站在地球上觀測，總是以自己為中心，因此在我們看來，黃道也就是太陽一年內(nèi)在天空中走過的軌跡，白道則是月亮一個月內(nèi)在天空中走過的軌跡。以地球為天球的中心，黃道與白道其實就是天球上的兩個大圓，它們有兩個交點，稱為“黃白交點”。只有當太陽、月亮都運行到黃白交點的附近時，才有可能發(fā)生遮擋，形成日食或月食。 望和朔 “朔”就是月亮位于地球和太陽之間（不一定在同一條直

5、線上）的時刻，通常發(fā)生于農(nóng)歷的十五；“望”就是地球位于太陽和月亮之間的時刻（不一定在同一條直線上），通常發(fā)生于農(nóng)歷的初一。 朔望月 月相變化的周期，也就是從朔到朔或從望到望的時間，叫做朔望月。朔望月的長度并不是固定的，有時長達29天19小時多，有時僅為29天6小時多， 它的平均長度為29.530588天。 交點月 交點月是指月球在天球上連續(xù)兩次經(jīng)過同一黃白交點的時間間隔。其平均長度為27.21222 日。它對于日月食周期推算有重要意義。 交點年 太陽從一個黃白交點經(jīng)過到回到這個交點所需的時間，稱為交點年，其長度為346.62003天。由于黃白交點每月沿著黃道向西退行移約1.6°，所以

6、交點年短于我們平時所說的公歷年（即365天）。 現(xiàn)在，我們來看日食發(fā)生的條件：日食只可能在朔日發(fā)生，而且太陽、月亮必須差不多位于一條直線上，換句話說，發(fā)生日食時，太陽、月亮都必須位于黃白交點附近。如果某天發(fā)生了日食，那天必定是朔日（正月初一左右），并且太陽、月亮都位于黃白交點附近，例如2008年8月1日將發(fā)生日全食，那天正是農(nóng)歷初一，黃白交點在巨蟹座，而且太陽、月亮也在巨蟹座。 假設再過n天后，太陽、月亮又運行到了幾乎與此完全相同的位置（即黃白交點、月亮、太陽又都回到巨蟹座），那么在地球上看來必將發(fā)生與此類似的日食。顯然，這個n天應該是交點月、交點年、朔望月的長度的公倍數(shù)，經(jīng)過計算可以發(fā)現(xiàn)22

7、3個朔望月的長度與242個交點月、19個交點年的長度幾乎相等： 223個朔望月223×29.530588天6585.3211天 242個交點月242×27.21222天6585.3572天 19個交點年19×346.62003天6585.7806天 也就是說，n的最小值是6585.3211天左右，其實就是一個沙羅周期。這就是為什么會存在沙羅周期的緣由，現(xiàn)在我們不難理解為什么每經(jīng)歷一個沙羅周期，就會發(fā)生類似的日食（或月食）了，不過需要注意的是，這兩次日食的見食地點并不相同：2008年8月1日的日全食（持續(xù)時間2分27秒）發(fā)生在加拿大、北冰洋、俄羅斯和中國西北部；20

8、26年8月13日的全食（持續(xù)時間為2分18秒），見食地點變成了北冰洋、格陵蘭、大西洋、歐洲極西部地區(qū)，這又是什么緣故呢？沙羅周期后話 相隔一個沙羅周期的兩次日食，不僅見食地點并不相同，而且日食類型也不一定一樣。這有兩方面的原因。 其一，223個朔望月（6585.3211天）和19個交點年（即食年，6585.7806天）的長度并不完全相等，而是相差了0.4605天。因此第二次日食發(fā)生時，太陽在黃道上的位置和第一次并不相同，0.4605的時間里它大約運動了28´（記得太陽在黃道上自西向東運動，每年運行一周），也就是說此時的太陽比第一次日食時偏西28´，結果導致月影掃在地球上的位

9、置和第一次相比也有了變化，將向北或向南移動（取決于第一次日食發(fā)生在兩個黃白交點的哪一點）。每經(jīng)歷一個沙羅周期，太陽就偏西27.2´，同時月影就向南或向北退行一些。直至太陽超出食限、月影離開地球，這個周期性的系列日食（稱為一個沙羅食系）就結束了，之后即使再過一個沙羅周期也不會有類似的日食發(fā)生了。目前共有12個不同的沙羅食系同時進行著，2009年將在我國境內(nèi)上演的全食時間大約為7.5分鐘的日食，就屬于其中一個食系，分別曾在1937、1955、1973、1991出現(xiàn)過。而2008年8月1日的日食，屬于另一個不同的沙羅食系，曾在1954、1972、1990年出現(xiàn)過。當然它們的見食地點都已不同

10、了。 其二，每過一個沙羅周期，日食的見食地點除了上述的南北移動之外，還有東西方向（即經(jīng)度）的移動。這是因為一個沙羅周期的223個朔望月是6585.3211天，不是整數(shù)。舉例來說，假設有一次甲地發(fā)生了日食，經(jīng)過一個沙羅周期之后，將發(fā)生類似的日食，但是此時地球轉(zhuǎn)動了6585.3211圈，這次的見食地點就不再是甲地，而是與它相距0.3211個地球周長而且位置偏西的乙地（因為地球自轉(zhuǎn)方向是自西向東），易于算出乙地的經(jīng)度要比甲地偏西120度左右。再過一個沙羅周期，見食地又將西移120度。所以甲地要想再次看到類似的日食（也就是這個沙羅食系內(nèi)的日食），至少需在三個沙羅周期之后（54年34天）。但是由于月影在

11、每個沙羅周期還有南北移動，三個沙羅周期后日食時的相對位置事實上不會返回甲地，必須經(jīng)過300400年左右，甲地才能再次看到日食。圖注：1991年7月11日、2009年7月22日、2027年8月2日發(fā)生的日全食，屬于一個沙羅食系，但是見食地點各不相同。 需要指出的是，沙羅周期只是一個非常逼近于自然規(guī)律的經(jīng)驗周期，但在較長久的時間內(nèi)，可能會出現(xiàn)與之不符的情況。例如有些沙羅食系中應是全食，但實際上卻可能只發(fā)生偏食。從第一點也可以看出，每個沙羅食系都以一組見于極區(qū)的日偏食開始，以后食分逐漸增加，經(jīng)歷916個沙羅周期后變成中緯度地帶的中心食，再經(jīng)過4248個周期后，過赤道向另一極區(qū)移動，食分減少，變?yōu)槿掌?/p>

12、食，又經(jīng)歷916個周期后，離開極區(qū)，這一食系宣告終結。一個食系的延續(xù)長度介于7085個沙羅周期之間，即1244年至1514.5年之間。 在長期的日食預告上，人們常常采用“大沙羅周期”，這是一種6444個朔望月（190295.109）的周期。每個大沙羅周期的見食地點的緯度都很接近。例如1406年6月16日發(fā)生日全食，食帶經(jīng)過英國、比利時，到1927年6月29日，發(fā)生的全食再次經(jīng)過英國、北歐。大沙羅周期還有一說是22325個朔望月（659270.38天，約1805年），這一周期使得太陽、月亮、地球的位置和視直徑都極為接近，會在同一地點發(fā)生差不多完全相同的日食。其他的交食周期 除了沙羅周期，還有兩種

13、比較知名的周期。 默冬周期 默冬周期以235個朔望月為一個周期，約合19個回歸年，所以又名“默冬章”（古人以19年為1章）。235朔望月6939.6882天，19回歸年6939.6018天，二者相差只有0.0864天。 紐康周期 紐康周期以358個朔望月為周期（29年少20天）。358朔望月388.50011交點月，因此在一個黃白交點處發(fā)生日食后，經(jīng)過358個朔望月后將在另一個黃白交點再次發(fā)生日食這是因為它們的差為0.50011個交點月，從而使得第二次日食的朔日正好發(fā)生于另一個黃白交點附近）。0.00011個交點月的時間差使第二次日食發(fā)生時，月亮相對于交點向東移動0.0411°，78

14、0個周期后，累計的移動等于兩個（平均）日食限（約34°），整個食系就宣告結束。 三統(tǒng)周期 我國是世界上較早發(fā)現(xiàn)日食周期的國家之一。西漢末年劉歆總結出一種周期，認為135個月中要發(fā)生23次日食，稱為“三統(tǒng)周期”。大約從公元三世紀起我國就能預報日食初虧和復圓的方向，到了唐代，對于日食的預報已經(jīng)比較準確了。一年能發(fā)生幾次日食 太陽與月亮都是有視面的球體，月亮的影子是一個范圍，只要地球進入月影就將發(fā)生日食（偏食、全食或環(huán)食），并不要求太陽、月亮、地球的中心嚴格在一條直線上。因此只需要朔日月亮位于黃白交點附近不太遠，就可以發(fā)生日食。這個“附近”有一定的限度，天文上稱為“食限”。朔日，月亮位于食

15、限之內(nèi)，就必定會發(fā)生日食。就日食而言，在這個限度上，位于白道上的月輪與黃道上的日輪靠近到相互外切，二者中心的角距，就是它們的視半徑之和，即約32。這時，從日輪中心到黃白交點的那段黃道弧長，就叫“日食限”。我們知道，太陽沿黃道運行，它的位置用黃經(jīng)表示；以日輪中心與黃白交點的黃經(jīng)差來表示日食限，便直接同太陽經(jīng)歷的時間長短相聯(lián)系。日月兩輪相切時，自黃白交點至日輪中心的一段黃道弧長，即此刻日輪中心與鄰近的黃白交點的黃經(jīng)差。 食限的具體計算其實很簡單，只要具備初中數(shù)學基礎即可。下面讓我們來算算看。 設O為日心，T為地心，M為月亮中心，設月亮在F點與Aa相切，令MTO，它就是地球上所看到的日心與月心之間的

16、最小角距離。 MTOATOMTFFTA，其中ATO即為太陽的視半徑（記為S），MTF即為月亮的視半徑（記為S月），而FTATFaTAa。TFa實際上就是地球半徑對月亮的張角月（也就是說在月亮上觀測時，地球的視半徑），TAa則為地球半徑對太陽的張角，可以很容易算出。 要想看到日全食，月亮必須全部進入Aa線之內(nèi)（至少內(nèi)切于Aa），此時mTO比MTO剛好小一個月球的視直徑（2S月），即：mTOSS月月已經(jīng)從觀測得到上述各量的平均值，帶入數(shù)據(jù)：S16´0、8.8、S月15´32.6、月57´03，可以求得：1MTO1°28´271.5°，2m

17、TO57´21的不同，就會產(chǎn)生不同的現(xiàn)象。 在朔月時，如果小于1.5°，就會發(fā)生日偏食，如果小于58´，將發(fā)生日環(huán)食。 天文學上所稱的“食限”（記為l），其實就是太陽與黃白交點之間的角距離，與密切相關。設黃道與白道的交角為i，其中一個黃白交點記為N、月心為M、日心為H，它們構成一個球面直角三角形。其中MH，NHl，于是：sinl/i黃白交角i不是固定不變的，這里粗略計算時可以取其平均值5°09´，帶入1和2就可以算出食限l的大小，對1：l17°，對2：l11.3°。這只是我們的粗略計算結果（忽略了地球、月亮軌道的偏心率和一些

18、復雜的攝動），天文學家的精確計算表明，日食限的最大值為18°31´，最小值為15°21´。也就是說朔日時，如果月亮運行到黃白交點15°21´以內(nèi)，則必定發(fā)生日食；如果它運行到18°31´和15°21´之間，有可能發(fā)生日食；在18°31´以外，就不會發(fā)生日食。日全食和日環(huán)食總稱為“中心食”，它們的食限更小，最大值為11°50´，最小值為9°55´。 因為日食必須發(fā)生在朔日，即太陽、月亮同時位于黃白交點附近，黃白交點有兩個，它們相距180度

19、，太陽大約每隔半年經(jīng)過其中一個交點附近，因此一年中有兩個“季節(jié)”可能發(fā)生日食，天文上稱之為“食季”，日食只可能在食季里發(fā)生。 有了食限的概念后，我們就能很容易地估算出食季的長度。食季的長短主要取決于食限的大小。食限越大，食季就越長。根據(jù)食限的大小和太陽在黃道上視運動的速度（平均每天59），我們可以估算食季的大致長度。例如，日偏食的最小食限是15°左右，那么，它的食季不會短于15°× 2÷5930日，這個長度已超過朔望月（29.530588天）。因此一個食季之內(nèi)，必定至少有一個朔日，也就是說會至少發(fā)生一次日食，最多時則可能發(fā)生兩次日食。一個食季之后，大約有

20、半年的時間不會發(fā)生任何日月食，隨后進入另一個食季，將再次至少發(fā)生一次日食。據(jù)此我們可以推斷，每年應該至少發(fā)生兩次日食，它們的間隔約為半年。中心食的食限更?。s為11°），是日食限（包括全食、環(huán)食、偏食）的2/3左右，因此可以估計出，只發(fā)生偏食的次數(shù)應占日食總次數(shù)的1/3左右。這一點也為觀測所證實，從1911年至1975年發(fā)生了近150次日食，其中偏食次數(shù)為48次。 由于黃白交點每年向西退行約20°，一個交點年（也叫食年）只有346.2600日，比回歸年短約19日。因此，可能出現(xiàn)下列兩種情形：第一，一年中有兩個完整的食季和一個不完整的食季。若第一個食季剛好在年初開始，除在年中遇到第三個食季外，在同年的十二月中旬，還可能迎來第三個食季。在這種情形下，這一年有可能發(fā)生五次日食。第二種情形是，一年中有一個完整的食季（年中）和二個不完整的食季（年初和年終）。在這種情形下，有可能發(fā)生四次日食