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日食

2015-2-17 08:43|查看:2586|评论:0|字体: 繁体

日食

日食发生时太阳、月球地球的位置(不依照实际比例)

日食

1999年8月11日的日全食

日食,是一种天文现象,只在月球运行至太阳与地球之间时发生。这时,对地球上的部分地区来说,月球位于太阳前方,因此来自太阳的部分或全部光线被挡住,看起来好像是太阳的一部分或全部消失了。日食只在朔,即月球与太阳呈现合的状态时发生。

日食分为四种,包括日全食、日环食、日偏食及全环食,其中较罕见的是全环食,只发生在地球表面与月球本影尖端非常接近的情形下,这时不同地区会出现日偏食、日全食和日环食三种不同的日食。日全食是一种相当壮丽的自然景象,所以经常吸引许多游客和天文爱好者特地到海外去观赏日全食。例如,在1999年8月11日日食发生在欧洲的日全食,吸引了非常多观光客特地前去观赏,也有旅行社推出专门为这些游客设计的行程。

原理

日食一定发生在朔,即农历初一当日。此时月球位于地球和太阳之间时,但因地球轨道(黄道)与月球轨道(白道)成5°9′交角,故并非每次朔日皆有日食发生,而日食发生时,日月两者皆一定在“黄白交点”(升交点或降交点)附近。

《说文》说“日食则朔,月食则望”,唐代诗人卢仝的诗句“望日食月月光灭,朔月掩日日光缺”,即讲述月食发生于望,日食发生于朔的道理。

理论上日全食则只发生在月球的近地区。根据计算,月球的近地点与地球的远日点同时发生时,地球能够观看全日食窗口的宽度约208公里,月球的近地点与太阳的近日点发生时,地球能够观看全日食窗口的宽度约100公里。至于月球在远地点时,地球每一个角落就都只能观测到日环食或日偏食。

种类

A 本影区出现日全食。

B 伪本影区出现日环食。

C 半影区出现日偏食

日食

日全环食的成因(不依照实际比例)

日食可以分为四类:

日全食:太阳比月球宽400倍,但离地球也是400倍远。由于对称的缘故,月球的暗影,也就是落在地球表面的阴影,宽度正好可以遮住整个太阳。太阳光球完全被月亮遮住,原本明亮的太阳圆盘被黑色的月球阴影遮盖。然而,也只有在日全食发生时才可能用肉眼观测到模糊的日冕。日全食只在月球位于近地点时发生,此时月球的本影锥长度较月地之间距离长,本影锥才能扫到地球表面。由于太阳的实际体积比月球大很多,所以日全食通常只能在地球上一块非常小的区域见到,因为月亮的本影对太阳来说只是一个小点。(在全食区之外,所见的食相是偏食)。最近一次日全食发生于2012年11月13日,下一次的日全食将发生于2015年3月20日。

日偏食:中国史书上称“日有食之,不尽如勾”,造成日偏食的原因是因为观测者落在月球的半影区中,观测者会看见一部分的太阳被月球的阴影遮盖,但另一部分仍继续发光。太阳和月球只有部分重合,依据两者中心的视距离远近(太阳被月球遮盖的最大直径)来衡量食的大小。通常日偏食是伴随着其他食相发生,如日全食或日环食或日全环食。但发生在极区的某些日食会是单纯的日偏食(不伴随其他食相),这是因为月球与黄道面的距离稍远,只有半影碰到地球表面,最近一次不伴随其他食相的日偏食发生于2014年10月23日,下一次的不伴随其他食相的日偏食将发生于2015年9月13日。

日环食:当月球处于远地点时,月球的本影锥不能到达地球;到达地球的是由本影锥延长出的伪本影锥。此时月球的视直径略小于太阳。因此,这时太阳边缘的光球仍可见,形成一环绕在月球阴影周围的亮环。(在环食区之外,所见的食相是偏食)。最近一次日环食发生于2014年4月29日,下一次的日环食将发生于2016年9月1日。

日全环食的成因(不依照实际比例)全环食:全环食只发生在地球表面与月球本影尖端非常接近,或月球与地球表面的距离和月本影的长度很接近的情形下。由于地球为球体之关系,而本影影锥接触地球时为日全食(常为在食带中间),在食带两端由于影锥未能接触地球,致只能有伪本影到达地球之下,所看到的是日环食。所以,当全环食发生时,随着地月之间的相对运动,会先后出现环食→全食→环食,当然,对于某一个具体的地点来说,在一次日食过程中是不会同时看到全食和环食的。全环食发生机率甚少,最近一次全环食发生于2013年11月3日,下一次的全环食将发生于2023年4月20日。

地球与太阳的距离约是地球与月球距离的四百倍,且太阳的直径大小也约是月亮直径大小的四百倍。在理论上,由于这两个比例相当接近,我们由地球观测太阳与月球时,两者的大小应该大略相等,或著说他们的视直径大约相等──差距应该局限在0.5弧度左右。然而,由于月球及地球的公转轨道都大约是椭圆形,造成我们观测而得的月亮及太阳大小不固定。

日全食和日环食在天文学中称之为中心食,只要发生中心食,必然会发生日偏食。而当日出时,太阳已被食去(日食已经开始)时,当地发生日出带食或带食日出,而日落时太阳还在被食(日食尚未结束)时则称带食日落或日落带食。另外月食有半影月食,但日食没有半影日食(是偏食)。

时间和周期

日食

1001年至2000年的日全食路径,显示地球各处都可以(有机会)看见日全食。这张图是由50张NASA的日食路径图合并而成的。

虽然平均每18个月地球就可以有些地区会发生日全食,但日全食仍是很罕见的。据推算,在任何一个地点须平均要间隔370年才能看见一次日全食。因为月影向东移动的速度超过每小时1700公里,因此日全食在一个地点持续的时间只有几分钟。日全食持续的时间不会超过7分31秒,而一般都比较短:每一千年中超过7分钟的日全食通常都少于10次。上次发生如此长的日全食是在1973年6月30日(7分3秒),利用协和式客机在日全食路径的月球本影中飞行,将观察日全食的时间延展到74分钟。下一次超过7分钟的日全食要到2150年6月25日才会发生。从西元前3000年至西元5000,这8,000年中,最长的日全食将发生在2186年7月16日,持续的时间为7分29秒。环食中,最长是1955年12月14日,是12分9秒。最短是2014年4月29日,是0.4秒。做为比较,20世纪最长的日全食发生在1955年6月20日,持续了7分8秒。

如果知道一次日食的时间和地点,就有可能利用日食周期推测其他的日食。有两个已知的周期是saros和inex。沙罗周期可能是最明和最精确的一个日食周期,依内克斯本身就不是个明确的周期,但是在日食周期的分类上非常有用。在一个沙罗序列完成后,新的序列会晚一个依内科斯周期才开始,它的名称:in-ex,就是这样来的。沙罗周期为6,585.3天(比18年略长一些),这意味着经过这个周期会发生几乎相同的日食,但其中最显著的差异是经度会偏移120度(由于0.3天的差),纬度也稍有变化。沙罗序列永远以发生在地球极区的日偏食开始,然后经由一系列的日全食和日环食逐渐越过整个地球,并以日偏食在相对的另一个极区结束。沙罗序列的长度从1226年至1550年不等,序列中会发生69次至87次的食,其中大约40次至60次是中心食。

每年食的频率

每年会发生2次至5次的日食,每个食季至少发生一次。自从1582年创始格历之后,曾发生5次日食的年份有1693、1758、1805、1823、1870、和1935年,下次将出现在2206年。5次日食几乎都是偏食。

最后的日全食

因为偶然情况下组合的环境,地球上得以看见日食,甚至今天人类在地球上熟习的日食型式也是暂时的现象。在数亿年之前,月球太靠近地球,以致只有如现今的日全食(没有日环食)。而由于潮汐加速,月球环绕地球的轨道以每年增加3.8厘米的速率远离地球。估计在6亿年之后,地球和月球的距离会增加23,500公里,这意味着,即使月球在近地点,地球在远日点,月球仍不能完全遮盖掉太阳的盘面。因此,月球将会离地球太远而不再发生日全食。

一个复杂的因素是太阳在这段期间的增加的大小,这样就更导致月球不能引发日全食。

观测与研究

日食

1999年8月11日发生的日食全过程,可以清晰看到各个日食食象,中间曝光较长

日食

2002年人们在冰岛观测日食

日全食(全环食包含在此)的研究价值远高于其他几种日食,因为能完全掩盖光球的强光,观测日全食时,人们能直视色球层和日冕等太阳大气,故观测日全食是天文学家研究太阳大气的大好时机。爱因斯坦关于太阳引力能使远方背景恒星光线偏转的预言就是通过对日全食的观测得以进行验证,但是由于理论推算的恒星角度偏差和由于实际观测带来的角度偏差在同一数量级,所以爱因斯坦的理论究竟是否被观测验证以及理论本身的真实性还在争论之中;在日全食发生时,也是发现水内行星的机会,但到现在皆未能发现水内行星的存在。

日食的计算涉及到太阳和月亮运动的准确性,因此古代许多天文学家用它来验证自己的历法。1969年还有人利用公元2年以前的25次日食记录来计算地球自转速率的长期变化。另在日月食中也发现了沙罗周期。

中国对日食的观测

中国是世界上最早观测日食的国家之一,从最早关于日食的文字记载至今已有四千多年。记录于夏代仲康时期(前2137年)的“书经日食”是世界上最早的日食记录。

汉朝时京房发明以盆盛水观测日食,从而避免直视太阳被日光灼伤危险。此后有用油代水进一步减轻日光灼伤。元朝郭守敬发明仰仪来测定日食时刻。

影响

日食的天文现象,对于人类有各式各样的影响,这些影响不仅包括对实际自然环境的改变,也体现在了文化与思想当中。

思想文化

历史当中,将日食视为不吉祥征兆,是因为文明缺乏天文学知识或是资讯传播上的落后,所产生的局限认知,历史记载上的神话、民间上的传说,认为是象征灾难的降临,而在日食时举行救日行动之类的仪式。但在现代社会中,这层无科学角度的不合理解释已逐渐为人们所抛弃(仍有部分国家地区的民众听信谣言),只被当作神话当中的日食故事,作为天文爱好者们互相传递的会心一笑之故事。

东亚方面

中国:将日食当作是上天的警告,认为是肇因于天狗食日,必须敲锣打鼓赶走天狗,因此统治者对日食的观测非常关心,《日食说》曰:“日者,太阳之精,人君之象。君道有亏,有阴所乘,故食。食者,阳不克也。”。据说在夏朝,羲和因为漏报了日食而被斩首。也因此,中国保存了非常完整丰富的日食记录,记作“日有食之”,最早可推至《诗经·小雅·十月》:“十月之交,朔月辛卯,日有食之,亦孔之丑”。据统计,不包括甲骨文中的日食记录的话,春秋时期到清代同治十一年(前770年-1874年),有记载的日食共985次(错误有8次),有时还有所谓“日再旦”(天亮两次)的记载。从《乙巳占》上的观点,李淳风认为,发生日食,是天子失德的表现。日食一般应验在君死、国亡上,更可以引起兵灾、天下大乱、死亡、失地上面。发生灾害的性质可以从天象的具体表现判断出来。日食从上面开始出现,天子行政失误;日食从旁边开始出现,将内乱,有大兵起,有更立天子之兆;日食从地下面开始发生,是后妃或大臣自恣太、行为失律所致。

汉朝的中国学者张衡,却针对日食和月食提出合理的科学解释,并说明原理,详见月食和张衡条目。但古时候在传播资讯上的局限问题,不见得每个古人都知道。

日本地区:根据日本神话天照大神说,当日食发生之时,代表侍奉太阳神的巫女卑弥呼的灵力消失,会遭到邪马台国人民加以杀害。

西洋方面

北欧神话当中,苏尔(Sol)是太阳的化身,当发生日食的时候,就表示追逐太阳的凶狼斯库尔(Skoll)追上了苏尔,这时候地上的人们就会敲锣打鼓以吓走天狼。

天灾人祸

日食也会对地球环境乃至人类社会的运作产生一定的影响,以下是科学角度认知上的灾害:

天灾方面:造成能见度下降、气温降低(沙漠地区最为明显)、湿度上升,对于交通运输的生产作业、通信安全(定位卫星断讯)等,或是某些敏感的动植物会应日食产生不寻常的变化。因此在日食(尤其日全食)期间,受到影响的地区需要调整照明设备以维护交通安全。

人祸方面:根据历史的事件纪录分析,有发生过有心人士将日食当作时间点的指标,借由此引起国家动乱、起义战争、夺取统治阶级的生命等各种意图的时机。在社会治安上,则会有人刻意散播不实谣言(或者是借由网络等手法),造成民众的迷信猜测和心理恐慌等带来一定影响。

观看

在观测日食时,不应当直接目视太阳,即使是在黄昏或日环食时,刺眼的太阳光(光球)也会引起视网膜破坏而影响视力。如果要直视太阳,需使用保护措施,如专用于目视太阳观测的滤光片(如巴德膜)、焊接用14号或以上的护目眼镜。否则可以投影法观看(如简单的针孔照相机在纸上成像,或利用望远镜把太阳影像投影于白纸上)。以墨水倒影,隔着烟薰黑的玻璃、已曝光的底片(含有银的黑白底片除外)、太阳眼镜、偏振光滤镜等,因为不能过滤红外线和紫外线,减光效果不佳,皆不安全。直接看很危险。1999年8月11日是20世纪观看的人最多的。使用日食眼镜观测60秒,需休息30秒以上再继续观测。

全食的五大阶段

日全食观测的全过程包括五大阶段:

1.初亏:因月球自西向东绕地球公转,当月球东沿相切于太阳西沿,日食正式开始,太阳开始出现亏损。

2.食既:月球继续向东运行,当东沿相切于太阳东沿时,太阳完全被月球遮挡,光线完全被吞食,称为食既。日全食开始。

3.食甚:当月球东移至中心与太阳中心重合的位置,日全食达到极点,称为食甚。

4.生光:月球继续东移,当西沿相切于太阳西沿,太阳开始露出,光芒开始重现,称为生光。日全食结束。

5.复圆:生光后月球遮挡太阳越来越少,当月球西沿相切于太阳东沿,太阳圆盘形状完全恢复,整个日食过程结束。

日食之最

下表列出于1900年至2100年最长和最短的日全食和日环食。

类别最长最短(食甚持续时间:少于0.5秒)
日全食1955年6月20日(食甚持续时间:7分8秒)1928年5月19日及2043年4月10日
日环食1955年12月14日(食甚持续时间:12分9秒)1950年5月18日及2014年4月29日

用途

日食的计算涉及到太阳和月亮运动的准确性,因此古代许多天文学家用它来验证自己的历法。1969年还有人利用公元2年以前的25次日食记录来计算地球自转速率的长期变化。另在日月食中也发现了沙罗周期。

考古断代中,根据历史中的日食记载,可以帮助精确地确定历史事件的具体时间,是十分可信的手段。

1919年天文学家亚瑟·爱丁顿利用日食时遮蔽强烈的太阳光线观察星光被太阳引力扭曲而验证相对论。

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