2DARK天文志

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一、日、月食的成因

月球绕地球转到太阳和地球中间时，如果太阳、月球、地球三者正好排成或接近一条直线，月球挡住了射到地球上去的太阳光，月球身后的黑影正好落到地球上，这时发生日食现象。

由于月球比地球小，只有在月影中的人们才能看到日食。

当观测者处在月球本影内时，将会观测到日全食（整个日面被月球遮住）或日环食（日面中央部分被遮住，周围露出明亮的圆环），而位于月球半影内的观测者看到的则是日偏食（太阳变得比平时暗）。（见下图）

图1：日食成因（图片版权：北京天文馆）

为什么地球、月球和太阳三者处在同一直线的时候，位于本影区域的观测者有的时候会观测到日全食，有的时候却看到日环食呢？

发生日环食的时候意味着月面太小了，不足以把整个日面全部遮挡住，于是在周围留出了一圈环状的日面。月面变小，换句话说就是月球距离我们远了，导致我们看到的月面比发生日全食的时候要小。这是因为月球围绕地球运动的轨道并非是严格的圆形，而是一个椭圆，这就导致了月球到地球的距离时而变大，时而变小。当月球距离我们最近的时候，月面看起来要比日面来得大，这个时候如果日、地、月三者处于同一直线满足发生日食的要求，那么处在本影的观测者将看到日全食；当月球距离我们最远的时候，日面看起来要比日面小，这个时候如果发生日食，本影的观测者将看到日环食。发生日环食的时候如果从太空中看，我们会看到月球影子的焦点落在了地面的上方（上图）。

月食的成因与日食类似。当月球运行至地球的阴影部分时，在月球和地球之间的地区会因为太阳光被地球所遮闭，就看到月球缺了一块。当月食发生的时候，太阳、地球、月球恰好（或几乎）在同一条直线，所以月食必定发生在“望”的前后。（见下图）

图2：月食成因（图片版权：北京天文馆）

当月球整个都进入本影时，就会发生月全食；但如果只是一部分进入本影时，则只会发生月偏食。注意和日食的情况不同，月全食和月偏食都是本影月食。

在月全食时，月球并不是完全看不见的，这是由于太阳光在通过地球的稀薄大气层时受到折射进入本影，投射到月面上，令月面呈红铜色。视月球经过本影的路径及当时地球的大气情况，光度在不同的月全食会有所不同。（详细的讨论可以见后文月食的照相观测部分。）

和日偏食类似，有时月球并不会进入本影而只进入半影，这就称为半影月食。在半影月食发生期间，月亮将略为转暗，但它的边缘并不会被地球的影子所阻挡。

二、日、月食的过程

由于月球是自西向东围绕地球运动的，所以日食总是从日面的西边缘开始。日全食或日环食发生时，在月球本影里的观测者开始看到阳光逐渐减弱，太阳面被圆的黑影遮住，天色转暗。月球圆面东边缘和太阳圆面西边缘最初接触（外切）的时刻称为初亏，随着月影继续自西向东移动，太阳圆面的黑色缺口不断扩大，月面西边缘和太阳面西边缘发生内切的时刻称为食既。日面中心和月面中心相距最近的时候，天空中可以看到最亮的恒星和行星，这个时刻为食甚。几分钟后，从月球黑影边缘逐渐露出阳光，类似地，当月球圆面东边缘和太阳圆面东边缘发生内切的时刻称为生光，月面离开日面，月面西边缘和日面东边缘外切的瞬间称为复圆。到这个时候，整个日食过程也就结束了。日偏食的时候，只有初亏、食甚和复圆三个阶段。

太阳被“食”的程度叫做食分，日偏食和日环食的食分是月球圆面直径和太阳圆面直径之比，日全食的食分则定义为太阳圆面直径被挡住的部分和圆面直径之比。日偏食和日环食的食分都小于1，而日全食物的食分大于等于1。

正式的月食的过程也可相应地分为初亏、食既、食甚、生光、复圆五个阶段。同样地，月球被食的程度叫“食分”，它等于食甚时月轮边缘深入地球本影最远距离与月球视经之比。

三、一年内发生日、月食的次数

日食发生的时候，地球、太阳和月球应该恰好处于同一直线。这句话有两个含义：首先日食发生的时候，要求日月的赤经相同；但我们知道黄道以及月球围绕地球的公转轨道在天球上的投影（称为白道）相互间存在一定的夹角，即使之前所提到赤经条件满足，日地月三者依然可能并不处在同一直线上——换句话说，还必须满足赤纬相同的要求，这个条件等价于日食发生的时候，太阳和月球应该处在黄道和白道的交点附近。

一般把日食和月食统称交食。由上面的这两个条件结合太阳和月球在天球上的运动规律来看，交食的出现应该具有周期性。

交食的周期有以下几种：

古代巴比伦人发现的“沙罗周期”（“沙罗”是重复的意思）为223个朔望月，即6585.32天；

由美国著名天文学家纽康发现的纽康周期，为358个朔望月；

三统历周期，为135个朔望月。这个循环周期记载在汉代的“三统历”中，因此也称为“三统历周期”。

利用交食周期只能预先推算日月食发生的大概日期和情况。如果要了解交食发生的精确时刻，还是要借助于天文年历。

一般来说，每年地球上至少会发生两次日食，而与此相对地，发生月食的次数可能为0，日月食发生的总次数最多是7次，这7次中日食最多可以达到5次，而月食是两次。但要注意，虽然从全球范围来说一年中日食的次数要比月食多，但对于某一个特定的地区，月食发生的次数却比日食来得多，一个地方相隔300年才发生一次日食也不足为奇。而日食发生的时候，不仅仅对于天文爱好者们来说是一次顿丰盛的大餐，对于天文学家们来说这也是用来研究不少天文理论和现象的宝贵机会（爱因斯坦广义相对论的预言之一——光线在经过大质量天体时会发生不同程度的弯折，就是爱丁顿利用日全食进行验证的），所以一旦有日食发生，全世界各地的天文爱好者和科学家们都会不远千里赶去观测日食。