日食和月食是怎样形成的？原因和研究意义

伤我心太深

　　日食和月食
　　日食是指射向地球的太阳光被月球遮挡的天文现象，月食则是指照亮月球的太阳光被地球遮挡的天文现象。在天文学中，日食和月食统称交食。广义上说，凌日、掩星、卫星食、双星互掩等也都属于交食。

　　一、日食和月食的成因和类型

　　作为地球的卫星，月球围绕地球转动。作为太阳系的行星，地球又带着月球一起围绕太阳转动。日食和月食正是这两种运动所产生的结果。当月球运行到太阳和地球之间时，如果日、地、月三者恰好或几乎成一直线，那么月球的影子投射到地球表面上来。这时，在月影区域内就看不见或看不全太阳。这样的事件叫做日食。发生日食必在朔。月影有三个区域：A为本影区，B1和B2是半影区，C是伪本影区。

　　当月球运行到和太阳相反的一方时，如果日、地、月三者恰好或几乎成一直线，那么月球的全部或一部分就会进入地球的本影或半影内。这时，在地球夜半球的人们就看不见或看不全月球。这样的事件叫做月食。发生月食必在望。

　　地球本影长约为1370000千米，远远大于月地距离，所以不会有人处于地球的伪本影中，也就是说，地球上的人只可能看到月全食和月偏食，不可能看到月环食。

　　显然，当月球是新月时只可能发生一次日食。另一方面，在接近满月时只可能发生一次月食。然而，月食和日食并不每月发生。因为作为月球轨道平面的白道面和作为地球轨道平面的黄道面的交角约为5°(月球角半径的20倍)，所以只有当月球为新月或满月并靠近黄道面和白道面的交点时日食和月食才会发生。这个更进一步的必要条件使可能发生的食的次数剧减。每年发生食的次数最多为7次。在这7次食中，有4次日食和3次月食，或者5次日食和2次月食。在有些年份可能少到只发生2次食。

　　月食可能是月全食或月偏食。在月食时，如果整个月轮在某一时间内处于地球的本影或阴影锥中，那就发生一次月全食，否则就是发生一次月偏食。日食可以是全食，偏食或环食。要发生一次日全食，月轮必须完全遮住日轮。如果月轮的角半径大于日轮的角半径，这种情况就会发生。从观测者看来，月球的阴影锥必须扫到地球的表面，如果观测者看到一次日全食，那他就必须处于被阴影锥扫到的环带之中。




　　日全食刚开始和刚结束前，有时可以在月球边缘周围看到被破坏的光弧的亮光。这种现象就是众所周知的贝利珠。贝利珠是由于月球表面不平坦并且不是一个严格的圆球所造成的，它与月球边缘轮廓上所看到的凹地和环形山有关。

　　在地球表面上能看到日全食的宽度总是小于300千米。在这条窄带的周围有一月球半影扫到的条带，其宽度可达5000千米，在这个条带内的任何一个人将看到月球遮掩日轮的一部分，于是能观测到一次日偏食。不仅月球在与黄道相倾斜的一条椭圆轨道上公转，而且地球也在围绕不与地球轨道平面垂直的自转轴旋转。因此，月球本影锥扫到地球表面的小圆扫描出一个条带即日全食带。对某一次日全食来说，它严格地取决于地球—月球—太阳系统的几何关系。

　　由月球本影锥扫过地球表面所产生的日全食带。随着阴影沿着地球表面移动，其从一地到另一地速度是有变化的。它可能有时每小时移动1800千米那么慢，或者有时每小时移动8000千米那么快。因此，对某一地方而言，日全食持续时间永不超过7分钟。现在如协和式飞机那样的高速飞机被用于沿着日全食的路线飞行，对坐在飞机上的观测者来说，日全食的持续时间将增加到一小时左右。

　　就2009年7月22日这次日全食来说，月球本影锥扫过地球表面所产生的日全食带。图中有三条线，中间一条就是日全食带的中心线，日全食带就在靠外的两条线之间。在7月22日发生的日全食中，月球的黑色阴影首先经过阿拉伯海，然后穿过印度中部和东北部、尼泊尔东南部、不丹的大部分地区、孟加拉国北部、印度最东部和南部，然后进入我国境内。在我国境内，日全食带先后穿过西藏东南部、云南西北部、四川、重庆、湖北、湖南北部、安徽、江西北部、江苏南部和浙江北部，在上海入海。

　　尽管就整个地球而言，日食发生的次数要比月食来得多，但一旦月食发生，近半个地球上的人都可以看到，而发生日食时只有月球影锥扫过的区域(称为食带)中的人才能看到。因此，对某个具体的地点来说，日全食是非常罕见的，平均隔200至300年(或更长时间)才能看到一次。根据科学测算，上海上一次见到日全食是1575年5月10日。上海下一次见到日全食的日期是2309年6月9日。所以，对上海来说日全食是300年一遇或400年一遇的事。


　　二、日食和月食的过程


　　月球公转的方向和地球公转的方向都是反时针方向，即自西向东的。但两者公转的速度不同，前者每日约13.2°，后者不足1°，也就是说月球公转速度比地球快得多。因此，日食与月食的过程既有相同之处又有不同之处。

　　一次日全食过程包括五个时期(或者说有五种食象)：

　　(1)初亏：由于月亮自西向东绕地球运转，所以日食总是在太阳圆面的西边缘开始的。当月亮的东边缘刚接触到太阳圆面的瞬间(即月面的东边缘与日面的西边缘相外切的时刻)，称为初亏。初亏也就是日食过程开始的时刻。

　　(2)食既：从初亏开始，就是偏食阶段了。月亮继续往东运行，太阳圆面被月亮遮掩的部分逐渐增大，阳光的强度与热度显著下降。当月面的西边缘与日面的西边缘相内切时，称为食既。此时整个太阳圆面被遮住，因此，食既也就是日全食开始的时刻。

　　(3)食甚：食既以后，月轮继续东移，当月轮中心和日面中心相距最近时，就达到食甚。

　　(4)生光：月亮继续往东移动，当月面的东边缘和日面的东边缘相内切的瞬间，称为生光，它是日全食结束的时刻。

　　(5)复圆：生光之后，月面继续移离日面，太阳被遮蔽的部分逐渐减少，当月面的西边缘与日面的东边缘相切的刹那，称为复圆。这时太阳又呈现出圆盘形状，整个日食过程就宣告结束了。日偏食的过程和日全食过程大致相同，由于它只发生偏食，因此就只有初亏、食甚和复圆，而没有食既和生光这两个阶段。日环食则同样有初亏、食既、食甚、生光和复圆等阶段。

　　月食的过程也是包括五个时期：初亏、食既、食甚、生光、复圆。不过，需要指出以下两点：

　　(1)日食是月轮遮日轮，从月轮遮日轮西缘开始到离开日轮东边缘结束，而月食是地球遮月球，从遮月球东缘开始到离开月球西边缘结束。

　　(2)月食的过程只要把日食过程中的遮挡物月轮改为地球。被遮挡物太阳改为月轮即可。通常在预报日食与月食时，除了要预报它们初亏、食既、食甚、生光、复圆时刻外，还要预报食分。所谓食分是指食甚时日面或月面被掩食的程度。日偏食的食分是日面直径被掩部分与日面直径的比值，食分都小于1。日全食的食分大于1或等于1，日环食的食分小于1。月偏食的食分是指月面被地球本影遮住部分与月面直径的比值，此比值小于1。月全食时月面恰好被地球本影遮住，食分等于1;如果月面更深入地球本影，其食分大于1。食分有两点含义：一是表明太阳或月球被掩食的程度，食分越大，被掩盖的面积越大;二是表明交食(日食和月食的总称)过程所经历过的时间长短，食分越大，交食过程的时间越长。

　　那么，食分的大小又取决于什么呢?应当说，还是取决日、地、月三者的位置关系。拿日食来说，被遮挡的太阳离地球愈远则其视直径愈小，而遮挡太阳的月球离地球愈近则其本影愈大，所以当太阳处于远地点而月球处于近地点时食分就最大，日食的时间就最长。为什么有的日全食时间只有2、3分钟，而2009年7月22日发生的日全食时间能长达6分多钟?原因很简单，7月22日这一天太阳在远地点附近，而月球恰又在近地点附近。懂得这个道理，就自然也能明白月全食应是在什么情况下才会食分最大、时间会最长。




　　三、发生日食和月食的条件——食限


　　我们看到，由于月球的轨道平面实际上与黄道面相倾斜，所以如果发生一次食，那么太阳和月球都必须接近这两个轨道平面的交点。如果发生一次月食，那么当月球到达交点时，这个月食的界限就是太阳(或地球阴影中心)离这个交点的最大角距。食限的实际数值是地球和太阳及月球的距离的函数。因而就是月球的角直径和阴影锥在地月距离上的半径的函数。计算表明，月偏食的最大限角为11.9度，月偏食的最小限角为10.0度;月全食的最大限角为6.0度，月全食的最小限角为4.1度。如果发生一次日偏食，那么这个日食限就是月球到达交点时太阳离交点的角距。日偏食的最大限角为17.9度，日偏食的最小限角为15.9度;日全食的最大限角为11.5度，日全食的最小限角为10.1度。


　　四、沙罗周期

　　巴比伦人从他们对许多世纪的食的记录中发现，有个特定的时间间隔不仅对于预言月食的发生时间很有用，而且对于预言月食的详细情形也很有用。这个时间间隔就是所谓的沙罗周期。计算表明，19个月球升交点会合周期等于6585.78日，而223个太阴月等于6585.32日。另外还发现，239个近点月等于6585.54日。因此，用闰年时间间隔表示的沙罗周期为18年零10日到11日，它几乎恰好是使太阳、月球和地球的几何结构再次重现的时间间隔。因此，一个沙罗周期之后，也就是经过19个食年、223个太阴月和239个近点月之后，所见的现象又将重现。因为这三个时间间隔并不严格一致，所以第二次食并不是第一次食的所有情况的再现，而是大致相似。第二个沙罗周期过去之后，第三次食就与第一次食不很相似，但很像第二次食，如此等等。显然，在至今为止的许多世纪中，必定存在一系列的沙罗周期，它们从某一特定的偏食开始，在出现越来越多的偏食之后，发展到再出现一些全食，最后以另一次特定的偏食结束。因此，任何一次月偏食都隶属于某一沙罗周期。

　　沙罗周期也预报日食的发生，换言之，日食的发生也隶属于某沙罗周期系列。然而，由于地球每日旋转一圈这个事实，情形被复杂化了。因此，在一个沙罗周期中，相接连的日食按照它们的类型(全食、偏食和环食)彼此接近相似，而为地球表面的不同区域的人所看到。例如，1973年7月3日的日全食在圭亚那、中非和印度洋可以看见，而下一次日全食，1991年6月11日的日全食则在马绍尔群岛、墨西哥中部和巴西可以看到。

　　五、研究日食和月食的意义

　　历史上的记载通常包括对日食和月食的记述，特别是在这些日食和月食发生在诸如一次战争或一位国王去世这类重大事件前后，更是如此。

　　现代的天文方法能够确定在某个时期中的任一次日食和月食的准确情况。应用这种方法可以明确地断定包含食的记载的年代所延伸的历史，例如亚述人的编年史。也可以用对食的记载来检验记事细节的准确性。在埋葬圣埃德蒙兹的记载中，记述了具有发生日期的一次日食和十一次月食，这些食发生于公元1258至1297年期间。所记日食、月食发生日期的一致性和记述的准确性都很好地提升了手稿的可靠性，从而增强了我们对这段历史的可信程度。






　　又如，我国有确切纪年之始，一般认为是从西周共和元年发端，而之前的夏、商以及西周大部分纪年是不大清楚的。为此，国家综合了自然科学与社会科学研究，开始了“夏商周断代工程”。其中有一个惹人注目的课题就是西周“懿王元年丙春正月，王即位。天再旦，于郑”。懿王要早于共和四世，弄清懿王元年的时间对“夏商周断代工程”、寻找失落的年代具有重要意义。这里所谓“天再旦”指的是日出前的一次日全食。日出前，天已发亮，这时日全食发生，天黑下来;几分钟后日全食结束，天又一次放明。而现代天文学完全有把握计算出西周时期的日食，这就为确定懿王元年天再旦的时间提供了科学依据。

　　日全食在科学上也有一定意义。借助于月球遮掩光华夺目的光球，人们能观测到色球层和日冕。这一点现在并不重要，因为已有方法能在任何时候遮掩日轮。日全食的开始和结束是十分突然发生的，可以用日全食的开始和结束对太阳和月球的预报位置同真实位置的一致程度进行检验。一次日全食也可以用来检验爱因斯坦相对论的一个预言：光线在经过一个强引力场时应发偏转。在日全食时，通过测量靠近太阳边缘的恒星的位置并同它正常位置进行比较，就可以进行这种检验。1919年的日全食就是第一次机会，当时就做到了这一点。月食也具有科学价值。在把整套仪器安放到月球之前的时代，可以用一个温差电偶测量突然进入地球阴影之中的月球表面的任一区域的变冷速率来得到月球表面结构知识。

　　六、对日食和月食的预报与观测

　　如前所述，通常对日食与月食的预报都要说明可看到地区的初亏、食既、食甚、生光、复圆的时刻和食分情况。为更直观地了解日食的全过程，有人将一次日食过程中不同时刻拍摄的许多照片合成一张展示日食全过程的照片。看一看这张图可以更好地理解以上这几个概念，以便更好地观测日食与月食。

　　日、月食的成因只与日、地、月三个天体的几何位置有关。只要精确掌握了这三个天体的运动规律，日、月食是可以准确加以计算和预报的。在有关日、月食预报问题的科学著作中，最著名的经典著作当数由奥地利天文学家奥伯尔泽所著、1887年出版的《日月食典》。该书内容有以下四个部分：

　　(1)介绍计算公式及用法说明;
　　(2)给出了公元前1208年至公元2161年共8000次日食要素;
　　(3)给出了自公元前1207年至公元2163年间共5200次月食的日期、食甚时刻、食分、偏食和食甚时月球天顶的地点的经纬度。


　　当代我国有关日、月食的预报数据，由中国科学院紫金山天文台负责计算与发布，该台用电子计算机算出了新的日月食典，其预报精度之高，可以说是分秒不差。广大群众从已经历过的几次日全食的观测中深切感受到，现在的科学预报与实际观测是完全相符合的。所以说，今天对日、月食的观测是根据科学的预报，在指定的时间、地点，对指定的天区中的天象所进行的观测，是在预知将要发生的整个进程的基础上所进行的观测。

　　日食与月食，特别是日全食，是一种很壮观的天象活动。古人曾因不了解其中的道理，误以为是不祥之兆，曾为之引起恐慌。而懂得日、月食道理的现代人则将它视为观赏的对象。由于日全食难得一见，地球上各地平均大约二、三百年才能见到一次。所以，一旦日全食来临某个地方，总会有许多天文学家和业余爱好者不远万里赶赴此处进行观测。在最近数十年中，前几次在我国发生的日全食都发生在相对偏远、人口较少的地区。而2009年这次日全食发生在我国人口稠密的长江流域，经过不少大城市，观看人数之多大大超过前几次。那么，何处是最佳观测点呢?只要是在日全食带内，可能你家阳台就是一个很好的观测点。应当指出：气象的条件非常重要。如果有条件选择外出，还是以选择到当天天气晴朗的地方进行观测为好。

　　对日、月食的观测，有目视观测与照相观测之分。特别要注意的是，不能用肉眼直接观测日食，一定要采取减光措施方能观测，否则会被强烈的阳光灼伤眼睛。有些商家懂得抓住日食这个商机，为观测者提供简易廉价适用的太阳镜。观测者也可买现成产品一用。对业余的天文爱好者来说，在观测日全食时应注意有以下几点：

　　(1)要注意对贝利珠的观测。在日全食刚开始时，也就是在“食既”这个瞬间，月轮刚好与日轮相切，从月球环形山的缝隙中漏出来的日光，像一串闪光的珍珠，十分美丽壮观。因为英国业余天文学家贝利于1836年最早对此现象作出科学解释，故以贝利珠命名之。在日全食刚结束时，也就是在“生光”这个瞬间，月轮又刚好与日轮相切，贝利珠又会再次出现。在这两个瞬间天都很暗，可直接用肉眼观测，

　　(2)要注意对色球层、日珥和日冕的观测。日全食时，在被遮掩的光球四周有一圈红色，这就是色球层，从色球层有的地方喷吐着火焰状的日珥。在色球层外围有一白色光芒，扩展到太阳直径几倍远的地方，这就是太阳的高层大气日冕。色球层、日珥和日冕，平时都看不到，也只有在日全食时才清晰可见。

　　(3)要注意对日全食时天空显露的星空背景的观测。此时可以看到平时难得一见的、总是处于太阳附近的水星，顺便再看金星、火星，如用望远镜看土星，还可看到它那美丽的光环。