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2014年10月8日月全食观赏指南

(2014年10月06日 15:17:36)

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2014108月全食观赏指南

 

  概述:食、凌和掩都是类似的天文现象

 图:月全食的完整过程

宇宙中散布着各种天体,如星系、恒星、行星以及行星的卫星等,太阳、地球、月亮就是其中普通的成员。这些天体实际上都在以很高的速度有规律地运动着,它们的相对位置无时无刻不在改变,只不过因为相互距离远近的不同,其位置的改变或明显,或难以察觉。

从我们人类所在的地球看起来,天上的恒星由于过于遥远,其位置几乎是不变的;而太阳系内的行星、小天体,以及月亮等,其位置往往每天都在较为明显地变化,尤其是月亮,由于距离地球最近,其运动变化最为显著。这些远近不一的天体,在相互运动的过程中,在某个时刻因为位置的巧合,从地球的视角看起来,会发生一个天体运动到另一个天体的正前方,从而将后方的天体整体或局部遮挡住的现象,这种现象就称为“食”,或者“凌”、或者“掩”。

太阳与地球之间的内行星,即水星和金星,有时候恰巧会从太阳表面经过,表现为一个小黑点从太阳表面的东边某处的边缘出现,缓缓向西移动,从太阳西边某处边缘离开的现象,称为水星或金星的凌日。至于火星、土星、木星等等,它们位于地球轨道的外侧,因此不会发生凌日的现象;不过假如你有幸飞到火星等外行星上,倒是有可能目睹地球凌日。

当然,这些天象发生的时候,相关的两个天体其实距离十分遥远,只不过这个时候从地球上看过去,觉得它们好像位置重合了,因此我们这里所说的天体的运动,是指“视运动”,而不是指天体在三维空间中真实的位置或运动轨道。由此可见,是否发生“食”之类的天象,跟观察者的位置直接相关。当地球上可以看到金星凌日的时候,从火星或者木星或者太阳系中其它的地方看起来,一般说来并不会看到金星正在凌日。

图:内行星凌日

日食和月食,就是发生在太阳、地球和月球之间的相互遮掩的现象。

月球在其视运动过程中,如果其位置正好处于太阳和地球之间,同时碰巧从太阳前面经过,就会遮挡太阳造成日食天象。月球绕地球运转的轨道不是一成不变的,月球与地球的距离有时候近,有时候远;另外月球在经过太阳表面时,有时候从太阳中心附近经过,有时候从偏离太阳中心的地方经过。当月球从太阳中心附近经过时,如果同时月球距离地球比较近,这时候月球就会遮挡住整个太阳表面,形成地球上最为壮观震撼的天象:日全食。日全食发生的时候,虽然时间上是白天,但是整个天空一片漆黑,如同黑夜,可见繁星在空中闪耀,还能感觉到气温的降低。原先耀眼的太阳不见了,在它该在的位置附近,可以见到弥漫着微微发亮的白色雾状物,仿佛太阳披着的白纱,这是太阳大气的最外层日冕,它通常总是淹没在太阳耀眼的光辉里,只有当日全食发生时,才和白天的恒星一起,显露真容。

图:日全食与日环食成因示意

图:日全食发生时的太阳

      如果月球从太阳表面靠近中心经过的时候,月球离地球比较远,这时候月球就会仅仅遮住太阳的中间区域,留下周围一圈明亮的光环,这就是日环食。日环食中的这个太阳光环往往并不完美对称,除非恰好月球经过太阳的正中心。

图:日环食发生时的太阳

      当月球视运动经过太阳表面时偏离太阳中心较多,月球只会遮挡太阳的一部分,留下另一部分仍然在明亮地闪耀,仿佛太阳被“天狗”吃掉了一口,这就是日偏食。

图:日偏食及其成因

      如果月球在其运动过程中,其位置处于太阳和地球连线的外侧,就有机会发生月食。说到月食发生的条件,先要说明地影的概念。太阳照在地球上,在地球的身后拖着一个长长的影子,称为地影。这个地影是圆锥形的,长达140万公里。不过,由于这个锥型的地影的半径最大处差不多只有地球平均半径6371公里大小,因此往往也可以简化认为是一个圆柱形。这个地影的内部分为“本影”和“半影”两个区域,简单地说,本影内部是几乎完全黑暗的,除了少量被地球表面大气折射过来的阳光;而半影内部仍有部分阳光可以直接到达,是半明半暗的,并且越靠近本影的地方越暗,越靠近整个地影边缘的地方越亮。

图:地球的本影、半影

当月球在绕着地球运动的过程中,如果碰巧进入了地影,会发生两种基本的情况。如果月球从本影中心线附近经过,整个月球就淹没在黑暗的本影之中,形成月全食。这时候的月球实际上倒并不是完全黑暗的,而是依然可见,这是因为地球的表面有浓厚的大气层,一部分阳光在穿越大气层时发生折射,改变了前行的方向,射入到本影内部而照在月球上,使得月球仍然能反射出暗弱的阳光。太阳发出的可见光,包含了各种不同的波长,对应于赤橙黄绿青蓝紫等各种颜色,而其中能够发生折射并穿越大气层,最终照耀到月球上的,主要是对应于红色一端波长的阳光,这使得发生月全食时的月亮呈现暗淡而美丽的微红色或古铜色。

如果月球从偏离本影中心线的地方进入地影,那么月球部分处于本影中,部分处于半影中,看起来似乎缺了一块,也仿佛被“天狗”吃掉了一口,这就是月偏食。偏食发生时,月面亮度不一,月面上越接近缺少的那一块的地方越暗,越远的地方则越亮。

图:月全食与月偏食成因示意

图:月全食与月偏食发生时的月亮

      还有一种月食叫半影月食,就是月球只进入半影而不进入本影。根据前面对于本影和半影的描述可以推知,当半影月食发生时,月球只是亮度降低,但不会看不见或缺少一块。

图:半影月食

      实际上,无论发生月全食还是月偏食,由于半影是“包裹”在本影外侧的,月球都要先进入半影,再全部或局部进入本影。也就是说,月全食和月偏食的前后都会伴随半影月食的发生,反之则不然。

图:发生月食时必然发生半影月食

日食有日环食,但是月食却不可能发生“月环食”。原因在于,发生“月环食”的条件是,月球中心区域处于本影内,外围的一圈却处于半影内,这样月球看起来才会变成一圈光环。根据这一条件,月球必须恰好位于地影本影的末端,而地影本影的长度是140万公里,月球距离地球最远时也不过40万公里多一点,因此月球永远到不了地影末端附近,也就不会发生“月环食”。

图:不可能发生月环食

图:日食与月食分别在地球和月球上同时发生

日食其实就是从地球上看起来月球掩太阳,而月食则是从月球上看起来地球掩太阳。前面说了,日食或月食发生的时候,日、地、月三者必须成一线,这个条件之所以能在某些时候得到满足,是跟月球绕地球运转的轨道的性质有关。地球围绕太阳运转的轨道叫做黄道面,太阳和地球始终在这个平面内。太阳系其它行星和小行星等,其轨道平面也大都接近黄道面,因此黄道面被用作研究太阳系天体运动的坐标系的基本平面。

假如月球环绕地球的轨道与黄道面夹角较大,并且轨道面法向接近日地连线,地球和月球就很难相互遮挡太阳,日食和月食就很难发生。然而幸运的是,月球环绕地球的轨道,也就是白道,它与黄道接近重合,相互间的夹角只有5o 左右,这使得月球和地球总有机会相互遮掩,从而发生日食或月食。

日食和月食发生的日期总是在农历里特别的日子。根据前面的介绍,当日食发生的时候,月球和太阳相对于地球处于同一位置,这个时刻在天文上叫作“朔”,当天叫作“朔日”,也就是农历某个月的初一;当月食发生的时候,月球跟太阳相对于地球处于正好相反的位置,这个时刻在天文上叫作“望”,当天叫作“望日”,也就是农历某个月的十五或十六(个别时候在农历十四或十七),是农历一个月中月亮最圆的一天。因此,日月食总是发生在农历的初一或十五前后;但是反过来,农历初一,或十五前后,并不必然发生日月食,还要满足其它更严格的条件才能发生日月食,导致日月食成为比较罕见的天象。这些条件跟月球轨道的变化有关,这里就不细述了。

 

      天空中的星星多如凡尘,除了常见的也是特别具有观赏性的日月食和凌日之外,还经常发生其它天体互掩的事件。比如行星及其卫星之间的互掩,例如火星掩木星,金星掩水星,月球掩天王星等等,在特定的条件下都有可能发生。小行星和大行星之间,乃至小行星相互之间,也会互掩。另外,严格地说,天空中处处布满恒星,只不过很多恒星由于距离遥远而特别暗弱,需要用望远镜才可能看见。事实上恒星被太阳系天体掩食的现象,几乎无时无刻不在发生,只不过通常不为人注意罢了。想想一下都市广场上流动的人群,他们熙熙攘攘,往来不息,对于在场的任何一个观察者,总能看到近处的某个人在某个时刻挡住远处的另一个人,天上的星星也是如此纷繁热闹,遮遮掩掩。

图:熙熙攘攘的人群与天上的繁星

因此,“食”和“凌”、“掩”,没有什么本质的不同,三种称谓大约只是从形象的角度加以区别。月球同太阳相比虽然只是个小不点,但是月球距离地球却比太阳近得多,所以从地球上看,它们的视觉大小是相仿的,视直径都在0.5o左右,这使得日食或月食发生时,太阳或月球的表面会明显发生大面积甚至全部变暗的现象,很像是被“吃”了一块或全部,因此称为叫“食”;而水星和金星从地球看起来只是个小圆点,它们凌日的时候就表现为一个小黑点在日面上移动,仿佛水星或金星凌驾于太阳之上,就称为“凌”;而“掩”这个词更加明白通俗,用来专指除了日月食和凌日之外的所有掩食现象。

除了自然天体,人造天体人造地球卫星或空间站等,只要轨道满足一定条件,也会发生进入地影或凌日的现象。例如“日凌中断”,有一种情况就是地球同步轨道上的卫星,例如风云二号气象卫星,正在通过太阳表面,这时候地面接收到的卫星通讯信号会受到强烈干扰,甚至短时间中断。国际空间站是目前最大的人造天体,当它凌日的时候,是天文爱好者拍摄它的绝好时机,只要器材和技术得力,在明亮的太阳背景前,国际空间站会留下清晰的黑色剪影。至于夜空中的人造卫星进入地影,是经常得见的现象,表现为原本在空中持续飞行的亮点,瞬间就暗淡不见了,这时候它正在地影中飞翔,要想在这个时候观测跟踪它的话,光学望远镜就无能为力了,要依靠专用的射电望远镜才行。

图:国际空间站凌日

  月全食过程和看点

 

月全食发生的时候,从月球刚刚进入地影的半影,到它从半影的另一端完全出来,往往要持续长达几个小时的时间。这个过程可以大致分为七个节点,其间的不同时期有着不同的景象。

图:月全食的过程

由于月球绕着地球的转动方向是自西向东,并且转动的角速度快于地球相对于太阳公转的角速度,因此月全食发生时,月球总是从地影偏西侧开始进入半影,当然具体位置可能还偏南或偏北,最终从地影偏东的位置出来。月球刚刚进入半影,与半影外切的时刻,就叫作“半影食始”,这是整场月全食的开始。接下来,月球将迎来刚刚进入本影的时刻,称为“初亏”,这时候月球与本影外切。再下来,月球整体进入本影,与本影内切,这个时刻称为“食既”。食既之后,月球将进入到本影最深处,月球中心与本影中心的距离达到最小值,这是月全食最为高潮的时刻,称为“食甚”。之后的过程与前面类似而相反,仿佛是前者的镜像:月球不断离开地影,与本影内切时称为“生光”,与本影外切时称为“复圆”,与半影外切时称为“半影食终”,也是整场月全食的句号。

当月球处于半影月食的时候,前面说过,这时候照向月球的太阳光部分被地球遮挡,部分仍可照上迎着太阳的半个月面,这使得月球看起来比不发生月食的时候要暗淡一些,但仍然整体可见。随着月球在运动中离本影越来越靠近,照在月球上的阳光越来越少,月球也就越来越暗,并且靠近本影的一端比相反的一端更暗。

当月球经历初亏之后,月球就开始逐渐进入本影,看起来就是月球的表面大体上按照自东向西的方向在一点一点地缺少。如果用望远镜观察,这个时候可以清楚地看到月面上的明暗交汇地带。在初亏之后不久的时候,虽然有经过地球大气折射的偏红色光线可以照到月球的阴暗区,但由于月球仍然有相当面积的区域被阳光照耀,显得十分明亮,因此难以察觉到月面在本影内的部分发出的红光。不过随着月球进入本影的面积越来越大,留下的被阳光直接照亮的面积越来越小,本影区内的月面就逐渐逐渐以微红的面目浮现出来。

当月球完全进入本影,就意味着真正的月“全”食开始了。现在整个月面清晰可见,发出迷人的暗红色,这是目视观赏月全食或者拍照的最佳时机。月球将一直保持这种状态,直到它东边的某个部分率先移出本影,再次接受阳光直接的照耀。这时月“全”食结束了,再次进入偏食的过程。全食过程的中间时刻,就是食甚,是月球进入本影最深的时刻。描述月球在食甚时进入本影深浅程度的术语叫“食分”,是指月球进入本影的视直径与月球视直径之比。每次发生月全食的时候,食分的大小都不尽相同:如果月球距离地球更近一些,食分就更大一些,反之就更小一些。

全食之后的状况又如同前面过程的镜像。从偏食,到半影月食,整个月食的过程几乎完美对称。

月全食过程的划分,也同样应用于日全食、日环食和日月偏食。当然,对于日食,不存在“半影食”;对于偏食,不存在“食既”和“生光”。对于内行星凌日,也有类似的过程划分。

图:日环食过程

  2014108日月全食具体时刻与方位

 

日食和月食都是难得一见的壮观天象。根据天文学家的估算和统计,日食发生的概率比月食略大。这个结论跟人们印象中的概念似乎是相反的。究其原因,这里面涉及到两个概念,一个是日月食实际发生的客观概率,另一个是对某地居民来说看见日月食的主观概率。日食虽然发生的频率稍高一些,但是每当日食发生的时候,只有地球表面上某个特定区域内的居民才能看到,例如对一场典型的日全食而言,地球上的可见区域集中在一个狭长的地带内,其中的居民在连续而不同的时刻,在地理上自东向西次第可见日全食,以2009年日全食为例,这个狭长的全食可见带长度在1万公里 左右,宽度只有区区250公里 ,也就是说,地球上只有极少数人有幸看到日全食。日环食、日偏食的情况也类似。假如这场日食的可见地区不幸全部或大部落在海洋、荒漠等地区,看见的人就更加稀少了。但月食就不一样了,月食发生的时候,地球上的人只要能看到月亮,就能看见这场月食,只不过不同地区的人看到的月食过程和完整性不尽相同而已。因此,对于地球上某个具体地点的人而言,日食虽然客观上更多发生,但看见的机会很小,而月食虽然更少发生,但看见的机会很大,这就造成了月食比日食更多的假象。

 

图:日食可观测带

但不管怎么说,月全食都是难得一见的美丽天象,了解一下月全食发生的具体预报情况,可以更好地安排观赏和拍摄。

对于日月食的预报,古代中国和西方天文学家就做过很多尝试,虽然精度不可能很高,但也不乏成功的例子。现代天文学可以精确地预报日月食的具体时刻,在国内,这项工作由唯一可以开展历书编制任务的中国科学院紫金山天文台承担。对于民用的预报,可以通过查询紫金山天文台网站的“中国天文年历知识和查询”栏目来获得。网站提供了全国主要城市观测日月食的时刻预报,这里以中国东部地区的南京市为例,简要介绍2014108 月全食的情况。

下表列出了本次月全食的主要节点时刻,以及对应的月球位置。其中方位角自正北方向东度量,高度角自地平线向天顶度量,单位都是度,从民用的角度出发,只精确到整数,这两个量就可以确定月球在天球上的目视位置。表中的时间是北京时间。除了月出时刻因地而异外,其它的月全食节点时刻对所有地点的人来说都是一样的。另外,本次月全食还恰逢月掩天王星,不过在中国只有东北部分地区可以看到。

表:2014108 月全食时刻方位表(南京)

节点

时刻

方位角

高度角

半影食始

16h15m

月球未升起

初亏

17h14m

月球未升起

月出

17h35m

83o

0o

食既

18h25m

89o

10o

食甚

18h55m

93o

16o

生光

19h25m

97o

22o

复圆

20h35m

107o

36o

半影食终

21h35m

120o

48o

图:2014108月全食可观测区域

 关于本次月全食观赏的几点建议

 

1.   时间

参照前面的时刻表。考虑到对一般市民而言,受下班时间限制和观看场地条件的限制,一般建议从6点左右开始观看即可,不必过早。后面看到830左右复圆的时候也就差不多了,如果还未尽兴,可以再看一会最后的半影月食。

需要注意的是,不同地区的人,主要受地理经度不同的影响,可以看到的月全食的情况不尽相同。比如108当天,同样是北京时间晚上5点,东北大部分地区,只要视线不受遮挡,可以看到月亮已经升上地平线,随后就可以看到月全食从初亏到复圆的整个完整过程;而江苏、上海、北京等地,此时月亮还没有从地平线上升起,而等到530前后月亮升起时,月全食已经过了初亏的时刻,不过还是能看到月全食后面的所有过程;至于云南等地,月亮要快7点才升起,这时候月全食已经过了“食既”,接近“食甚”,因此云南地区一看到月亮的时候,就是个漂亮的红月亮。

2.   地点

    观赏月全食,选择一个合适的地点当然很重要。幸运的是,对月食而言,地点选择的余地非常大。简单地说,只要是当天晚上5点钟到9点钟之间能看到月亮的地方,都可以观看月全食。这意味着从正东到东南方向内没有什么遮挡就可以了。许多人家的阳台上就可以满足这个条件,在自家阳台上观看这次月全食是最方便的了。如果自家条件不许可,也可以选择去一个相对空旷、东边和东南边基本没有遮挡的地方,并且周边的灯光尽可能暗一些,也是不错的地点,例如许多市民广场就基本满足这样的条件。

    由于是晚上的活动,选择室外观赏场地一定要注意安全。特别要注意的是,千万不要想当然地进入到市郊的山里去观看月全食,一来安全没有保障;二来,山里面地形复杂,道路弯曲,山体以及山路两边茂密的树木反而很容易造成遮挡,让人失去观看月全食的机会。

3.   如何观赏

    月食总是发生在满月的时候,月亮又大又圆,直接用眼睛目视观看就可以了。如果想借助望远镜看得更细致一些,一般带上普通的双筒小望远镜即可,既轻巧,又够用。当然,许多天文爱好者肯定不会错过用小型天文望远镜进行观测和摄影的机会。

    其实如果想要摄影的话,不必非要有望远镜,用单反相机甚至普通的数码相机就可以。至于如何拍摄,对熟悉使用单反相机的人来说自然无需多言。对于平常只用过普通数码相机的人来说,大致要注意这么几点:如果使用普通的数码相机,镜头要具备一定的变焦能力,否则成像效果不明显;最好还要有全手动(M)模式,以方便拍摄时调节参数。另外,要想拍好照片,稳固的三脚架是必不可少的。最重要的是,提前一两个晚上,对着月亮多拍多练习,做到成像清晰即可。

4.  之后干什么?

   等到月全食观赏完毕,照片也拍了不少,这时候该干什么呢?当然是分享!选择你拍摄的得意之作,包括后期制作的各种“葫芦串”等创意之作,上传网络,互相品评交流,介绍你的经验和故事。如果你的照片和故事不错,可以艾特新浪微博:@紫金山天文台科普部,它会通过转发来帮你推介和宣传。

图:月全食摄影作品

一场月全食很快就会过去,但是留下的记忆、收获和快乐却是永久的。愿大家脚踏实地,仰观天文,享受快乐,丰富人生。

 



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