天象奇觀：日食與月食

背景介紹

人們有時發現在農歷初一，明亮奪目的太陽會被黑影從邊緣侵入，并擴大成很大的缺口，甚至使整個日輪消失，天空頓時暗黑，如同黑夜提前降臨，這就是日食現象。而有些年月的農歷十五或十六，皎潔如水的月亮，也會被黑影從邊緣侵入并逐步擴大，甚至使整個月輪蒙上黑紗，使本來月明星稀的夜空，變得繁星似錦，這就是月食現象。2003年5月31日將發生日環食，環食帶從大西洋東北部開始，經冰島在格陵蘭島南部結束，我國可見日偏食。2008年后的幾年我國將可多次觀看到壯觀的日全食和日環食。日食和月食到底是怎么一回事？下面文章將作簡要介紹。

一、日食和月食是如何發生的？

眾所周知，太陽發光，地球和月亮自身不發光，月亮是依靠反射太陽光而呈銀白色。月亮繞地球公轉，而地球又帶著繞它公轉的月亮一起繞太陽公轉（圖１）。太陽的直徑約為1400000公里，大致是月亮直徑3500公里的400倍。但是月亮離地球的平均距離僅約380000公里，又大致是日地平均距離約150000000公里的400分之一。因此太陽的視角徑（日輪）與月亮的視角徑（月輪）幾乎一樣大小，都是約32角分(32′)。不過由于月亮公轉軌道和地球軌道都是橢圓（地球和太陽分別位于月軌和地軌橢圓的焦點上），日地距離和月地距離會略有變化，使得月輪有時會略大于日輪，有時會略小于日輪。

另一方面，農歷是根據月相變化制訂的歷法。月相就是人們看到的月亮被太陽照亮部分的形狀，如鐮刀形和半圓形等，取決于日、地、月三者的相對位置。月相變化的周期是２９.53天，稱為朔望月（比月亮的公轉周期27.3天略長），也就是農歷一個月的平均長度。當月亮運動到日地之間，即從地球看月亮與太陽在同一方位時（三者不一定在一直線上），地上人們看到的是月亮未被太陽照亮的半球，也就是看不見的黑月亮，稱為新月，也稱為朔，對應于農歷初一。當月亮運動到太陽的相反方向，即地球處在日月之間時（三者也無需在一直線上），人們看到的是月亮被太陽照亮的半球，就是滿月，也稱為望，它對應于農歷的十五，有時為十六。

如果地球繞太陽的軌道與月亮繞地球的軌道是在同一平面上，那么每逢農歷初一月亮運行到日地之間時，三者處在一條直線上，就會發生地球上人們看到月亮遮蔽太陽的日食現象。而每逢農歷十五或十六，地球處在日月之間并且三者成一直線時，將使月亮處在地球的影子里面而顯得暗淡無光，就是月食。但實際上地軌和月軌并非在同一平面上，而是相互傾斜成５°9′的交角。因此一般情況下，在朔日和望日的日地月三者并不在一直線上，不會發生相互遮擋的日食或月食。只有當月亮在自己的軌道上運行到地球軌道平面附近，也就是運行到地軌平面與月軌平面的交界線附近時，才會在朔日出現日月地三者正好或近于在一直線上，發生月輪遮蔽日輪的日食現象。同樣地，當月亮運行到月軌和地軌平面的交界線附近又逢望日時，三者正好或近于一條直線，使照向月亮的太陽光被地球遮擋，發生了日食。這就是為何日食總是發生在農歷初一，而月食總是發生在農歷十五或十六，但并非所有初一都有日食和所有十五或十六都有月食的原因。

二、日月食的種類和過程

日食可分為日偏食、日全食和日環食三種。為什么會發生三種不同類型的日食，則與月亮影子的結構和日食時地球在月影中的位置有關。圖2中月亮的影子有三種區域：

由月亮直接伸展出去的錐形暗區是月亮的本影區；由本影延長線構成的錐形暗區稱為偽本影區；本影和偽本影周圍的斜線區就是半影區。若某次日食時，僅僅是月亮的半影區落在地面上，該地區的居民只能看到日輪的一部分缺失，就是日偏食。若某次日食時月亮的本影落到地面上（相當于月地距離較近和月輪略大于日輪的情況），則處在本影區中的居民將可看到整個日輪被遮，就是發生了日全食。若某次日食時只有月亮的偽本影到達地球（相當于月地距離較遠和月輪略小于日輪的情況），則處在偽本影區中的居民將會看到只有日輪的中央部分暗黑，從而變成一個明亮的圓環，這就是日環食。

隨著月亮的公轉運動和地球自轉，月亮的影子將會在地面上掃過一大片區域。其中本影或偽本影掃出的地帶非常狹窄，其寬度只有幾十至幾百公里，長度則可達幾千至上萬公里，它們分別稱為全食帶和環食帶。處在全食帶或環食帶地區的居民，就將會先后看到日全食或日環食。而在全食帶或環食帶兩邊的地區顯然就是月亮半影掃過的地區，這些地區的居民就只能看到日偏食了。因月亮自西向東運動，結果地面上的月影也是自西向東移動，因此總是西部地區的居民比東部先看到日食。月亮自西向東運動的另一結果就是日輪總是從西邊緣開始被日輪遮蔽，然后向東擴大，在東邊緣結束日食。

日食的全過程及各階段的名稱如圖3所示。若為日全食，則可分為5個階段。最先是月輪東邊緣與日輪西邊緣相切，稱為初虧；之后日輪缺失逐部擴大，直到月輪東邊緣與日輪東邊緣相切時，日輪完全消失，稱為食既；月輪繼續東移，當月輪中心與日輪中心距離最近時，稱為食甚；月輪再東移，至月輪西邊緣與日輪西邊緣相切時，稱為生光，表示日輪開始露出；日輪露出部分逐步擴大，直到月輪西邊緣與日輪東邊緣相切時，日輪全部露出，稱為復圓，日食結束。其中食既至生光為日全食時間，一般為2~3分鐘，最長7分多鐘，最短只有幾秒鐘。日環食也分為5個階段（如圖3），其中環食始至環食終為日環食時間。日偏食只有初虧、食甚和復圓3個階段。對于日全食和日環食，月輪直徑與日輪直徑之比稱為食分。日全食的食分大于1，日環食的食分小于1。對于日偏食，食分則指食甚時日輪直徑被遮部分占日輪直徑的分數，它總是小于1。

月食的情況比較簡單。由于地球影子的長度超過月地距離，影子的直徑也遠大于月亮的大小，不會出現月亮進入地球偽本影的情況，因此沒有月環食（圖4）。當月亮的一部分進入地球本影時，處在地影中的月面部分將變暗，就是月偏食；當月亮整個進入地球本影時，整個月輪將顯得暗淡，就是月全食。若月亮僅是進入地球的半影，天文學上稱為半影月食，這時月輪的亮度減弱很小，肉眼是覺察不到的，一般不稱為月食。實際上即使是處在地球本影中的月偏食和月全食，被食的部分日輪或整個日輪并非完全暗黑，而是呈暗弱的古銅色。這是地球大氣對太陽光折射和散射造成的結果。地球大氣分子把太陽光中波長較短的藍光和紫光散射到其他方向，而剩下波長較長的紅光和黃光折射到月亮上，使其成為古銅色。

月亮在地影中由西向東運動，因此與日食相反，月食總是從月輪的東邊緣開始，在西邊緣結束。月全食的整個過程如圖5所示，也包含初虧、食既、食甚、生光和復圓5個階段。月偏食則只有初虧、食甚和復圓3個階段。月食的食分定義為食甚時月輪進入地球本影的最大深度（即圖5中食甚時月輪上邊緣最高點a與地影下邊緣最低點b的距離）與月輪直徑之比。月偏食的食分小于1，月全食的食分大于或等于1。月食與日食的另一不同點是地球上不同地區的居民是在同一時間看到月食的。只要能看到月亮的地方，看到的月食過程是一樣的。

在所有日月食現象中，最為壯觀的就是日全食。當月輪即將完全遮掉日輪，亦即食既之前的瞬間，日輪的東邊緣僅剩一絲亮弧時，往往會在亮弧上出現幾顆如珍珠般閃亮的光點，這是太陽光通過月亮邊緣的一些環形山凹地涌出的結果，英國天文學家貝利首先解釋了這一現象，因而也稱貝利珠。較大的亮點光芒四射，更像鉆石，鑲嵌在亮弧上，常稱為鉆石環。隨即食既開始，“黑夜”降臨，天空中閃現出星星，而黑色的月輪周圍顯現出太陽的高層大氣——紅色的色球層和銀白色的日冕，十分絢麗多彩。同時一些飛禽鳥獸也因黑夜的提前降臨而驚恐不寧，形成了一幅奇特的大自然景觀。人們可有短則幾十秒長則幾分鐘的觀賞時間。而在生光之后，亦即日輪重新露出的瞬間，往往還會在日輪西邊緣再次看到貝利珠和鉆石環，隨即消失并露出較多日輪，天空變亮，日全食結束。日環食時天空變暗不明顯，但空中高懸著一個金色的圓環也是很奇特的罕見天象，同樣也吸引許多人前往環食帶地區觀賞。

三、日月食的頻繁度和觀測意義

前已述過，只有發生在月軌平面與地軌平面交界線附近的朔日和望日，才會使日地月三者正好或近于一條直線上，在朔日發生日食，在望日發生月食。天文學家的計算表明，平均每個世紀可出現67.2次日全食，82.2次日環食和82.5次日偏食。不過由于日全食帶和環食帶非常狹窄，每次日食時，它們只占據地球表面積的極少部分，而且有時還位于海洋或人口稀少和難以到達的地區，因此人們看到日全食和日環食（二者有時合稱“中心食”）的機會很少。對某一具體地區來說，平均每300多年才能看到一次日全食或日環食，難怪許多人一輩子都未見到。與此相反，日食時月亮半影掃過的地區面積（就是偏食帶）很大，日全食和日環食時，全食帶和環食帶周圍地區也在半影中，可以看到日偏食。因此人們看到日偏食的機會相當多，對于一個地區而言，平均每3年可看到一次日偏食。天文學家的計算還表明，發生月食的機會比日食少，但是每次月食時，地球上夜間半球的居民都可看到。因此對任一地區來說，看到月食的機會反而比日食多。

日月食現象，尤其是罕見和奇特的日全食現象，不僅具有觀賞價值，同時還具有科研價值，主要是為太陽物理學家提供了研究太陽高層大氣的有利時機。原來，太陽的大氣可分為三層，人們平時看到的日輪是太陽的最低層大氣，稱為光球，其厚度僅幾百公里，太陽的可見光輻射幾乎全部是由光球發射出來的。光球上方是厚度為幾千公里的色球層，其亮度只有光球的萬分之一。色球的外面還有一層延伸至幾個太陽半徑之外的最外層大氣，稱為日冕，其亮度只有光球的百萬分之一。在非日全食時，暗弱的色球和日冕完全被明亮的天空背景所淹沒，因而看不見它們，這與白天看不見星星的道理一樣。但在日全食時，由于明亮的光球被月亮遮蔽，全食帶地區上空大氣失去強光照射，天空變成暗黑，使色球和日冕得以顯現，為天文學家提供了研究它們的“天賜良機”。

除了研究太陽本身，日全食也是研究因太陽發射的光輻射和帶電粒子流（太陽風）突然被月球遮擋，而對地球的電離層、地磁場、臭氧層、低層大氣，以及其他地球環境（如引力場、重力場、固體潮和宇宙線變化等）產生影響的好時機。同時還可在日全食時進行愛因斯坦的廣義相對論所預言的光線彎曲試驗。正因為如此，對于每一次的日全食，盡管只有短暫的幾分鐘全食時間，總有許多不同學科領域的科研人員攜帶各式各樣的沉重儀器，不遠萬里來到全食帶地區，進行各種觀測和研究。我國的研究人員也曾多次對日全食進行觀測。幾次規模較大的綜合性觀測包括1968年9月22日在新疆、1980年2月16日在云南、1997年3月9日在黑龍江漠河地區發生的日全食。我國也曾組織過小型觀測隊，于1983年到巴布亞新幾內亞，1988年到菲律賓，1991年到墨西哥和夏威夷進行日全食觀測。

21世紀的頭20年，在我國境內將可看到兩次日全食和三次日環食。2008年8月1日的日全食，在新疆、甘肅、內蒙古、寧夏、陜西、山西和河南等部分地區可以看到。2009年7月22日的日全食帶則經過西藏、云南、四川、湖北、湖南、江西、安徽、江蘇和浙江等省，其中包括許多大城市如成都、重慶、武漢和上海等，日全食時間長達5~6分鐘，是一次非常難得的日全食。2010年1月15日，在云南、四川、貴州、湖北、湖南、河南、安徽、山東和江蘇等部分地區可以看到日環食，環食時間長達4分鐘。2012年5月21日的環食帶則經過廣西、廣東、江西、福建、臺灣、浙江、香港和澳門等部分地區，環食時間也是4分鐘。2020年6月21日，又可在西藏、四川、貴州、湖南、江西、福建和臺灣的部分地區看到日環食。希望大家不要錯失在國門之內觀賞這種罕見天象的機會。（日食照片見封三）

①林元章研究員是天文學名詞審定委員會委員。