你应该知道的日月食
http://.cn2008年07月24日《中国国家天文》杂志4月号文/林元章
今年8月1日在我国西部将发生一次日全食，全国大部分地区可见偏食。日月食是非常壮观的天象，过程也并不复杂，但这背后却蕴含着丰富的科学道理，了解了这些知识，可以让我们更加科学地观测日月食。
日月食是人们仅凭肉眼就能看见的最壮观的天象。前几次在我国发生日全食(1968年、1980年、1997年)和日环食(1987年)期间，以及近年来为北大附中高中学生开设的选修课“天文科普讲座”中，谈到日食和月食时，天文爱好者和中学生提出了不少问题。因此在这里对主要的问题以问答的形式进行讲解，希望能对天文爱好者和同学们更深刻理解日月食，尤其是日全食现象有所帮助。
(1)日、月食到底是如何发生的？为什么日食总是发生在农历初一？月食总是发生在农历十五或十六？
众所周知，太阳发光，地球和月亮自身不发光，月亮是依靠反射太阳光而呈银白色。月亮绕地球公转，而地球又带着绕它公转的月亮一起绕太阳公转。太阳的直径约为140万公里，大约是月亮直径3500公里的400倍。但月亮离地球的平均距离仅约38万公里，又大致是日地平均距离1.5亿公里的400分之一。因此太阳的视直径(日轮)与月亮的视直径(月轮)几乎一样，都是32’。不过由于月亮公转轨道和地球公转轨道都是椭圆的(地球和太阳分别位于月轨和地轨椭圆的焦点上)，日地距离和月地距离会略有变化。
另一方面，农历是根据月相变化制定。月相就是人们看到的月亮被太阳照亮部分的形状。月相变化的周期是29.53天，称为朔望月，也就是农历一个月的平均长度。当月亮运动到日地之间(三者不一定在一直线上)，朝向地球的是月亮未被太阳照亮的半球，也就是看不见的黑月亮，天文上称为新月，即为朔，对应于农历初一。当月亮运动到太阳相反方向，即地球处在日月之间时，人们看到的是被太阳照亮的半球，就是满月，也称为望，它对应于农历的十五，有时为十六。
如果地球绕太阳的轨道与月亮绕地球的轨道是在同一平面上，那么每逢农历初一月亮运行到日地之间时，三者都处在一条直线上，就会发生日食。而每逢农历十五或十六，地球处在日月之间三者成一直线，将使月亮处在地球影子里面，发生月食。但实际上地轨和月轨并非在同一平面上，而是相互倾斜成5o9’的交角，因此一般情况下，在朔日和望日不会发生
相互遮挡的日食或月食。只有当月亮在朔日运行到地轨平面与月轨平面交界线附近时，出现日月地三者正好或近于在一直线上，才会发生日食现象。同样地，当月亮在望日运行到月轨与地轨的交界线附近时，才会发生月食。这就是为何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。
(2)为什么日食有日偏食、日全食和日环食之分？它们有何不同？为什么有月偏食和月全食，但没有月环食？
日食可分为日偏食、日全食和日环食三种。日食类型与月亮影子的结构和日食时地球在月影中的位置有关。月亮影子有三种区域：由月亮直接伸展出去的锥形暗区是月亮的本影，这里没有太阳光可以到达；由本影延长出去的锥形暗区称为伪本影，仅有太阳四周边缘的光线可以到达；本影和伪本影周围的斜线区就是半影区，有部分太阳光线可以到达。若某次日食时，仅仅是月亮的半影区落到地面上，该地区的居民只能看到日轮的一部分缺失，就是日偏食。月亮的本影落到地面上本影区中的居民可看到发生了日全食。只有月亮的伪本影到达地球，只有日轮的中央部分暗黑，太阳变成一圈明亮的圆环，这就是日环食。日全食和日环食也合称中心食。
随着月亮的公转运动和地球的自转，月亮的影子将会在地面上扫过一大片区域。其中本影或伪本影扫出的地带非常狭窄，其宽度通常只有几十至几百公里，长度却可达几千至上万公里，分别称为全食带和环食带，。处在这个区域内的居民，就将看到日全食或日环食。而在全食带或环食带两边的地区，只有月亮半影扫过，也就只能看到日偏食了。由于月亮自西向东运动，月影也是自西向东移动，因此总是西部地区比东部先看到日食，另一结果就是日轮总是从西边缘开始被食，然后向东扩大，在东边缘结束日食。
月食的情况比较简单。由于地球影子的长度超过月地距离，影子直径也远大于月亮大小，不会出现月亮进入地球伪本影的情况，因此没有月环食。当月亮只有一部分进入地球本影时，就是月偏食；当月亮整个进入地球本影时，发生月全食。若月亮仅仅是进入地球的半影区，天文学上称为半影月食，这时月轮仍是亮的，亮度减弱很小，肉眼是觉察不到的。实际上即使是处在地球本影中的月偏食和月全食，被食的部分月轮或者整个月轮也并非完全暗黑，而是呈暗弱的古铜色。这由于地球大气层把太阳光中波长较短的蓝光和紫光散射到其他方向，而剩下波长较长的红光和黄光折射到月亮上，使其成为古铜色。
在所有的日月食现象中，最具科研和观赏价值的就是日全食，其次是日环食。日全食时人们肯定能看到壮丽的日冕，有时也能看到部分色球层。而当日全食开始之后和结束之前的瞬间，日轮仅剩一丝亮弧时，往往会在亮弧上出现几颗如珍珠般闪亮的光点，这是太阳光通
过月亮边缘的一些环形山凹地涌出的结果，英国天文学家贝利首先解释了这一现象，因而也称为贝利珠。较大的亮点光芒四射，更像钻石，镶嵌在亮弧上，常称为钻石环。日环食时天空变暗不明显，但天空中高悬一个金色的圆环也是很奇特，同样也吸引很多人前往观赏。
(3)日食和月食的过程如何？食分是如何定义的？
日全食，可分为5个阶段。最先是月轮东边缘与日轮西边缘相切，称为初亏；之后日轮被食逐步扩大，直到月轮东边缘与日轮东边缘相切时，日轮完全消失，称为食既；月轮继续东移，当月轮中心与日轮中心距离最近时，称为食甚；月轮继续东移，至月轮西边缘与日轮西边缘相切时，称为生光，日轮开始露出；日轮露出部分逐步扩大，直到月轮西边缘与日轮东边缘相切时，日轮完全露出，称为复圆，日食结束。其中食既至生光为日全食持续时间，称为食延，一般只有2~3分钟，最长7分多钟，最短只有几秒钟。日环食也分为5个阶段，其中环食始至环食终为日环食时间。日偏食只有初亏、食甚和复圆3个阶段。对于日全食和日环食，月轮直径与日轮直径之比称为食分。对于日偏食，食分则指食甚时日轮直径被遮部分占日轮直径的分数。
对于月食，由于月亮在地影中由西向东运动，因此与日食相反，月食总是月轮的东边缘开始，在西边缘结束。月全食的全过程包括初亏、食既、食甚、生光和复圆5个阶段。月偏食则只有初亏、食甚和复圆三个阶段。月食的食分定义是食甚时月轮进入地球本影的最大深度与月轮直径之比。月食与日食的另一不同点是地球上不同地区的居民是同一时间看到月食的。只要能看到月亮的地方，看到的月食过程是一样的。
(4)日全食观测有怎样的科研意义？为什么天文学家特别重视日全食观测？
日全食不仅只有观赏价值，更重要的是向研究者提供了研究太阳的高层大气——色球和日冕的有利时机。太阳大气可分为三个层次。我们肉眼看到的光辉灿烂的日轮是太阳的最低层大气，称为光球，其厚度不过几万公里。太阳的可见光辐射几乎全是由光球发射出来的。人们通常所说的太阳大小和太阳表面就是指光球而言。在太阳光球上方还有厚度为几千公里的色球层，其密度比光球层低好几个量级，而亮度只有光球的万分之一。色球的外面还有一层延伸到几个太阳半径之外的最外层大气，称为日冕，其密度更为稀薄，亮度随其与太阳中心距离增大而迅速减弱。在紧靠色球的日冕内层，其亮度也不过光球亮度的百万分之一。然而人们从地面看到的天空亮度则是光球的百分之几，即比色球和日冕高几个量级[数量级表示当否？]。这就是说，在非日全食期间，暗弱的色球和日冕被明亮的天空背景所埋没，因而人们看不到它们只有当日全食时，太阳色球和日冕才展现在我们面前，为太阳物理学家提供了研究这两层神秘太阳大气的绝好机会。
太阳色球和日冕虽然密度稀薄，但其温度比光球高得多，其中经常发生许多剧烈的太阳活动现象，例如太阳耀斑(太阳爆发现象)和日冕物质抛射等，并对地球环境造成影响。日全食观测对研究太阳色球层和日冕的物理结构和其中的物理过程，掌握太阳活动规律并进行提前预报，有着重要意义。
(5)每次日全食时都能看到银白色的日冕，但并非每次都能看见完整的色球层，这是为什么？
色球是位于太阳光球和日冕之间的中层大气，其平均厚度只有大约2000公里。从地球上看去，这个厚度的张角只有3角秒左右。发生日全食时，如果月球与地球的距离非常恰当，即刚好使月轮比太阳光球略大，但又比色球直径略小(即食分要求在1.000至1.003之间)，食甚时才能使月轮把光球挡掉却把部分色球层露出来。一般日全食不会满足这样的条件，大多是食甚时月轮把光球和色球一起遮掉(食分大于1.003)，根本看不见色球。只能在食既之后和生光之前的瞬间，才能在日轮边缘看到桔红色的色球弧，但始终看不到完整的色球圆环。
(6)射电波段太阳比光学波段的太阳大得多，也比月轮大得多，因此在射电波段实际上不存在“日全食”，那么为什么每次日全食时也要进行太阳射电观测？
太阳色球和日冕在可见光波段的辐射强度可以忽略，然而太阳在射电波段的辐射，却主要来自色球(毫米波)和日冕(厘米波和米波)。因此也可以在平时用太阳射电望远镜来观测色球和日冕。不过射电望远镜的角分辨率一般都很低，大于太阳角直径，即只能对太阳作无细节分辨的观测，也就是测量太阳整体的射电辐射强度。但在发生日全食的时候，当月轮逐步扫掩日轮的过程中，用射电望远镜对各种波长的辐射进行连续测量，就可以反推出日轮上各种波长的辐射强度分布进而了解太阳高层大气结构。换句话说，利用日全食，可以用很低分辨率的射电望远镜对太阳进行较高分辨率的观测。因此，太阳射电研究者也不会放过日全食的观测机会。
(7)日全食时出现在地球物理领域有哪些可观测项目？有何意义？
日全食时，太阳光辐射太阳风(带电粒子流)突然被月亮遮挡，从而也是研究太阳对地球电离层、地磁场、低空大气，以及各种其它地球环境产生影响的好时机。
众所周知，无线电广播和通讯依赖于地球高层电离层对无线电波的反射，而电离层的存在则是由于太阳紫外线和X射线对地球大气层的电离作用，形成了D、E、F1和F2等几个不同高度的电离层。观测已经证实，太阳光被月球遮挡时，日全食地区上空的电离层状态有明显变化。这种变化和影响应随地理纬度、季节和日全食时的太阳高度而不同。因此每次日全食的变化并不相同。
实际观测同样表明，日全食期间地球磁场也有明显变化。这是由于在地磁场中除了地球本身的磁场外，还有太阳风的带电粒子在地磁场中运动形成的感应磁场。当月亮遮挡太阳风时，感应场必定变化，从而使观测到的磁场发生变化，与地磁场有关的地电也会有相应的变化。通过观测研究，可以获得地磁场结构以及太阳风与地磁场相互作用的知识。
日全食期间，太阳光突然消失必定会破坏大气的热平衡，导致近地面对流层中的气象要素如温度、气压和风速等的变化。观测这些变化，也有助于理解地球大气的动力学过程。此外，太阳紫外辐射突然消失，也可能对平流层中的臭氧产生影响。当月球正好处在太阳与地球之间时，是否会对地球产生引力和固体潮效应，以及是否会影响到宇宙线的传播等，则存在争议。因而日全食期间，也常有测量臭氧变化、观测引力和固体潮效应，以及测量宇宙线变化的项目。
(8)常常听说日全食可以验证爱因斯坦的广义相对论，这又是怎么回事呢？
还有一个常在日全食期间进行的经典观测项目，就是验证爱因斯坦广义相对论预言的光线在太阳引力场中的偏折。其方法是在拍摄黑太阳及其周围的恒星照片，再与半年前或者半年后夜间拍摄的这些恒星照片，比较这些星星的角距离是否有变化。若引力会造成光线偏折，则星光从太阳旁边通过是会略为改变方向。在日全食时，两颗分别为原太阳两侧的恒星之间的角距应会略为大于半年前或半年后(此时太阳已不在恒星与地球之间)看到的这两颗星之间的角距。由于所预言的变化只有1.75角秒，而日全食时因气温下降引起的望远镜焦距变化或其它部件变形，以及相隔半年的不同观测条件所造成的观测误差与此值同一量级，因此每次观测结果不尽相同，也颇有争议。
(9)日全食对天文爱好者有何意义？对科普宣传有何作用？
对于广大的业余天文爱好者，特别是中学和大学里的天文小组或科研小组的成员，在国内发生的日全食，更像是他们的重大节日。他们往往在半年前甚至一两年前就开始进行全方位的准备：了解日全食发生的时间、全食带位置、全食时太阳高度和月亮掩食时的运动方向，并选定观测地点和了解当地可能的天气情况；同时购置或装配合适的天文望远镜和照相机或摄像机，设计拍摄程序等。由于日全食过程非常短暂而且对当时的天空亮度、太阳色球和日冕的亮度也难以预先准确估计，要拍摄到高质量的日全食照片即使对于专业天文工作者来说，也并非易事，稍有疏忽，就会错过或失效，对于业余天文爱好者，更是有一定难度。这就需要进行缜密的调研、思考，充分准备。日全食观测活动，能够使广大青少年学到很多天文知识，受到科学实践的锻炼，增加对科学的兴趣，也许其中一些人会因此走上了科学研究的道路。
日全食这一罕见天象常被一些不明科学真相和心怀不良动机者用于迷信宣传。不过由于现代科学对日全食的发生已能做精确到分秒不差的提前预报，因而又是反迷信宣传的有力武器。在日全食前后，正是可以对亿万群众进行科学普及和破除迷信宣传教育的最有利时机。
