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說好的日環食呢，為什么上周很多人只等到了日偏食?日食月食的時間和種類是怎么預測的?你真的弄懂了各種日食和月食的成因嗎？你了解它們有什么區別和聯系，又遵循什么樣的時間規律嗎? 日食和月食發生的頻率一樣嗎？什么是全環混合日食？半影月食和月偏食是一回事嗎？?“陰晴圓缺“的月相是怎么形成的？月相與日食月食有沒有什么關系？月食時的血月是怎么形成的？隨便看一眼月亮你就能根據月亮的位置大概判斷當時是幾點鐘嗎?日全食會永遠消失嗎？相信讀完本文，當你理解了之后，這一切就變成了有趣的常識，你會有各種各樣意想不到的收獲。
撰文?| 滿威寧如果有新聞說找到一批三國時期的竹簡，那些文字表明：諸葛亮的生辰是七月初八，那天天降異象“日蝕之”。你的第一反應會是什么?如果有人為終于找到原始文獻記載諸葛亮的生辰而高興，或有人沉思疑惑“日蝕之，主賊生”，不是吉兆。你能不能馬上篤定地告訴對方，別琢磨了，這消息一定是假的？你知道為什么嗎?我經常問我的學生和我自己這個問題：“如果只帶著現在自己腦子里的東西，穿越到古代，你能做什么養活自己，或者還可能做成點什么改變世界?”我們站在幾千年人類文明的肩上，比起古人我們到底多會些什么，又到底多懂了哪些常識？比如，《春秋》這部編年史記載了公元前722到前479年共244年中的37次日食。古人無法理解日食和月食，用天象戰戰兢兢地占卜著吉兇。如果我們穿越到古代，能夠準確預測日食月食和編歷法的話，不僅可以養活自己，大概還會被奉若神明吧。下圖按時間順序編號展示了未來十年的各種日食和可觀測區域。文末附有圖表詳細列舉了未來11年世界各地所有的日食和月食的時間和可觀測范圍。
圖片來源：timeanddate.com
半影本影的形成示意圖 | 圖片來源: 作者
從光源最外側的點出發，畫出沿直線前進的光線以及物體后方的陰影區域，所有陰影都重疊的位置就是本影，這里沒有光線到達。被一部分光源照亮的陰影區就是半影；換句話說，在半影能看見部分的光源，半影區沒有那么黑。
本影大小與距離的關系 | 圖片來源：作者 ?
借用晚上室內的燈光，用手在桌上或墻上做做影子游戲，你就可以明顯地看到手與墻面之間的距離，對本影和半影所占的面積比例的影響：物體越遠離投影的屏幕，屏幕上本影占的面積比例越小。那么，有沒有可能讓本影徹底消失呢？是的，繼續玩影子游戲，你會發現當物體與投影屏幕的距離大到一定的程度(或者光源的尺寸與物體相比大過一定的程度)，對應的無窮多個影子就不再能全部重疊于任何區域，此時屏幕上的所有位置都接受到某部分光源的光線，本影消失了。
本影半影偽本影區?| 圖片來源：維基百科
總之，本影區是不透明物體后方完全不被照亮的區域(a)，半影區是被部分光源照亮的區域(b)。而本影區的延伸區域(c)有點特殊：光源外圍的光線可以到達這個區域，而光源中心的光線不能到達。所以在這里會看到中間被遮擋的光源，這個區域被叫做偽本影區。遠離物體，本影消失后，偽本影區出現。
各種日食的形成有了本影、半影和偽本影的知識，徹底理解各種日食的形成原理就很容易了。太陽的直徑是月球直徑的400.5倍(體積是6400萬倍)，而太陽到地球的平均距離是月球到地球的平均距離的395倍，所以從地面看起來太陽和月亮差不多大，在月球運行到日地連線之間時，能遮住太陽，形成日食。比如說，當月球遮擋陽光，在地球表面投射出本影和半影的時候，本影區域內的人就會觀察到日全食(Total Solar Eclipse，在那個時刻完全看不見太陽)，而在半影區域的人會看到被月球遮擋了一部分的太陽，觀測到日偏食(Partial Solar Eclipse)。
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各種月食的產生記得小學的時候爬到5樓天臺看月食，書上說月食是因為地球擋住了月亮，小伙伴邊看邊評論：“地球明明在我腳下，怎么擋住了天上的月亮？”你能解釋清楚嗎？還有，你是否覺得新聞報道里的月食似乎遠多于日食，為什么呢？月食發生的頻率真的遠比日食高嗎？分析月食和日食的最大不同在于，要考慮月亮本身不發光，月光是月亮對太陽光的反射。大家都知道當地球在太陽和月亮之間，遮擋了原本射向月球的陽光，就會形成月食。討論月食最常見的一個錯誤，就是誤以為月亮進入地球半影區的時候就得到月偏食。
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其實，即使月球整體都在地球的半影區內，地球也只遮住了一部分來自太陽的光線。此時月球朝向太陽的這一面，全都能夠看到日偏食，也全都有太陽光可反射，這時的月面，并不會因為地球的半影而缺失一塊，僅會在亮度上減弱。所以這并不是月偏食，而被叫做半影月食(Penumbral Lunar Eclipse)——局部或整體亮度減弱，并非某處月面徹底缺失。而只有當一部分月球開始進入地球的本影時，這一部分月球才徹底失去太陽的照耀，此時才開始月偏食。月食的月面缺失是從月球進入地球本影區開始的，直至完全走出本影區而結束。
在這個過程中，如果存在一個時間段讓整個月球都進入地球的本影區，那就是月全食(Total Lunar Eclipse)，在食甚的時候“天狗”會完全“吃掉”月亮。
如果月球始終沒有完全進入地球的本影，則只會看到月偏食(Partial Lunar Eclipse)。“天狗”好像只咬了幾口又就吐了出來，沒有吞掉月亮，如下圖所示。
月食和日食另一個很大的不同在于，日食發生的時候，只能在(偽)本影和半影的小范圍內可以觀測。可月食發生的時候，面向月球的那半個地球都能同時觀測。再加上整個過程中地球的自轉效果，導致每次有月食發生，在大半個地球范圍內都能看到(至少一部分過程)。
這就是為什么我們在各地能觀察到的月食都比日食要多的主要原因。2020年共有四次半影月食，7月5日這次美洲歐洲非洲可見，而11月30日那次中美皆可見；2021年則有一次月全食一次月偏食，都是中美皆可見。
圖片來源：timeanddate.com
那么，為什么我們不曾聽說月環食呢? 在月亮上有可能觀察到日環食嗎? 在任何位置可能觀測到因地球遮擋陽光而形成的月環食嗎? 還有如何根據曲率半徑一眼分辨一副過曝的黑白照片是日偏食還是月偏食? 諸如此類的有趣問題。如果你真正理解了以上信息，并且能考慮太陽直徑是地球的109倍，以及前面提到的日月地之間的距離差異，相信你會有清晰的回答。伴隨月食的血月是怎么回事？當月球完全進入于地球的本影區內時，按說太陽光不能到達月亮，所以通常在人們的想象中一次完整的月全食演化應該是左圖這樣的：
關于月相你可能不知道的那些事“人有悲歡離合，月有陰晴圓缺，此事古難全。”古今中外都有人為月相的變化留下過動人的文字。月相到底是如何形成的？月相與日食月食的關系又是如何？
月相形成原理丨圖片來源：作者
理解月相的關鍵仍然是不要忘記月亮本身是不發光的，我們看到的月亮只是被太陽照亮的那一部分。在一間漆黑的屋子里，拿一個球甚至一個橙子，用手電筒或者臺燈，遠遠地照亮這個球，你會看到這個球永遠只有一半被照亮。而我們從不同的角度觀察它，就會看到所有的月相。
月球的相(上)和金星的相(下)丨圖片來源https://skyandtelescope.org/online-gallery/phases-of-moon-venus/
“缺失”的那部分月亮，當然還在那里，只是沒被陽光照亮而已。其實有時候來自地球的反光能照到那部分月亮，讓缺失那部分月亮也呈現出黯淡的輪廓。另外，不僅月亮有月相，各大行星也有變化的“相”，因為行星也不發光，也只有被太陽照亮的那一面是亮的。金星相(見上圖右下方)跟月相原理一樣，形狀類似，可以通過望遠鏡清晰地拍到。如圖所示，當陽光從右側照來，月球只有右側被照亮。而月球公轉周期是27.3天，加上地球在這段時間走過的路程，月亮要約29.5天(農歷一個月)才相對于日地連線完整地轉一圈。在右圖中我們把的日地連線始終固定在左右方向，并畫出月亮相對于日地連線在農歷一個月內的位置變化。
日食、月食和月相的關系讀到這里細心的讀者會發現：日月地連成一線，月球擋住太陽——日食發生的時候，只能是月相幾乎為零的日子(農歷初一)。而日地月連成一線，地球擋住射向月球的陽光——月食發生的時刻，只能是滿月的日子(農歷十五六)。于是我們可以斷言，農歷某月初八的日食或者月食一定是杜撰的。若哪位史學家或者穿越小說家說，秦王嬴政出生在正月初一或者夏歷十月初一，那天有月食發生，你知道那準是騙人的。也有人根據以上月相圖會追問，既然如此，為何不是每個初一都會發生日食(日月地成一線)并且每個十五都會發生月食(日地月成一線)?事實上，之前的月相圖是畫在平面上的，而月球圍繞地球的公轉軌道(白道)，與地球公轉軌道(黃道)并不在一個平面上，這就是平常說的黃道白道之間的夾角(5.14度)。所以每月初一，月亮都與太陽在地球的同一側，但未必能三球連成一條線。
白道與黃道之間存在夾角丨圖片來源：作者
這個夾角令三球對齊的概率大大降低，所以并不是每個初一或十五都發生日食或月食。而且，就算有時三球部分對齊，也會有中心始終不夠對齊的情況，這時則會發生純粹的日偏食和月偏食(比如月球不能完全進入地球的本影區發生純月偏食，地球只經過月球的半影區發生純日偏食)。其實，日食和月食總是相伴發生。當日食發生時，月地連線和黃道在一個平面上，所以在那之前或之后半個月，月球繞到地球另一側通常會也發生一次月食。(日食總是在月食兩周前或者兩周后發生)。通常是一次日食一次月食相伴發生(間隔半月)，也有時候會有三次日月食連續發生。比如2020年6月6日的半影月食、6月21日的日食和7月5日的半影月食。考慮由萬有引力主宰的地球和月球各自的公轉軌道，可以嚴格計算出地球和月球的位置隨時間變化的軌跡，準確預測日食和月食每次發生的時間，持續的時間和可觀測范圍。雖然黃白交角的存在和公轉軌道的橢圓性質，使這樣的計算具有一定的復雜性，但至少讀到這里，我們對日月食發生的原理，預測方法和與月相的關系等常識都有了清晰的了解。總之，平均而言在多數的年份中都會發生兩次日食和兩次月食。少數年份里有三次，極少數年份里可能達到四次，那多半是因為比較偏的日偏食(例如2000年)或者半影月食(例如2020年)的貢獻。日食的可觀測范圍遠小于月食的，所以通常平均好幾年才能在某地觀看到一次日偏食，而由于日全食和日環食的觀測范圍太狹小，平均要間隔近400年才能在同一個地方再觀測到一次日全食。未來十年的所有日食月食匯總在此，便于收藏。
日食預測 | 圖片來源：timeanddate.com
月食預測 | 圖片來源：timeanddate.com
江邊何人初見月，江月何年初照人？早在人類還未誕生之前，日地月系統已經這樣規律地運行了億萬年，而人類短短幾百年的科技史已經為我們揭開了太多古人不能理解的奧秘。但實際上，這一切也不都是亙古不變的。比如說，利用激光，地月距離的測量可以精確到毫米。由于潮汐加速，現在月球正以3.8厘米每年的速度遠離地球。在很多億年以前月地距離更近，那時候在地球上看不到日環食。而在未來(幾億到十億年以后)，地月距離將遠到讓地球無法再進入月球的本影區(月球將不足以遮擋整個太陽)，地球上將不再出現日全食，而且到那時候太陽也演化得更亮、更難被徹底遮擋，于是就只剩日環食和日偏食了。對日食月食的觀測和精準預測是天體物理學里的重要話題，有助于測量和驗證與天體軌道有關的各種參數，以及它們的變化。日全食也為排除太陽光和輻射的干擾進行科學實驗提供了難得的機會。此外，不僅月亮遮擋太陽形成日食，行星也可以遮擋太陽形成金星凌日、水星凌日等天象，行星凌日的原理與日食是一致的。“凌日法”是發現和研究太陽系外行星的兩個重要方法之一。科學家對太陽系外行星的尋找和探索與科學家對宇宙起源的研究分享了2019年諾貝爾物理學獎。很大一部分太陽系外行星的發現，就是靠觀測那些恒星被自己的行星遮擋的亮度變化以及發生的周期而推算出的。人類對太陽系外行星，對宇宙的探索在加速進步。從古人戰戰兢兢占卜，到現在我們站在整個人類文明的肩膀上，比起古人，我們到底多掌握了哪些常識，多理解了哪些原理？如果不能帶別的東西，只帶著你大腦里的一切穿越回古代，你能夠做些什么古人做不到的？是值得經常思考的問題。資料來源
[1]?www.timeanddate.com?
背景簡介：文章于2020年6月28日年發表于微信公眾號 返樸(為何你沒見到日環食？你不知道的天象常識原來還有這么多)，風云之聲獲授權轉載。
責任編輯：祝陽
