溫故知新: 日(月)食的形成

chris881

2006年土耳其上空的日食全過程

晴朗的白天，耀眼的太陽突然被一個黑影遮住了一部分，黑影逐漸擴大，甚至把整個日輪都遮住，白天忽然變為黑夜，太陽周圍的星星出來了，氣溫明顯下降，短短的幾分鐘後，太陽又恢復了光芒，這就是「日食」現象。觀測日食是研究太陽外層大氣色球和日冕極好的機會。

月食則是與此類似的一種天象，在滿月的夜晚，明月高懸天空，一個黑影慢慢地把明月吞食，使圓圓的月球失去光輝，然後月輪又逐漸恢復原樣，這就是月食。

日食和月食都是由於太陽、月球、地球三個星球運行到幾乎排成一條直線時所發產生的一種自然現象，它們的區別在於三者之間的相對位置不一樣。日食是月球運行到太陽和地球連線之間，月食則是月球運行到太陽和地球連線之外側。


1. 日（月）食原理

月球環繞地球運行，它的軌道平面稱為白道面，月球同時又隨著地球一起繞太陽運行，這個軌道面被稱為黃道面。這兩個平面並不一致，而是形成了一個傾斜的交角。

月球和地球本身都是不發光的天體，它們在太陽光的照射下，都會拖出一條長長的影子。當月球運行到太陽和地球之間，太陽、月球、地球又恰好幾乎在同一直線上時，太陽照射在地球上的光線被月球遮住了一部分或全部遮住，人們就看到了日食。


日食原理

從這個原理可以知道，日食必定發生在朔日，即農曆初一。但是並非每個朔日都會發生日食，這是因為黃道面和白道面之間有一個5°09′的夾角，朔的時候，月球雖然位於太陽和地球之間，但日、月、地三者卻不一定正好處於一條直線上。只有當發生朔的是否，月球又恰好運行到黃道和白道的交點附近，才會發生日食。


月食原理

月食的原理與此相同，當月球運轉的太陽和地球連線的外側時，地影投射在月球之上，使得月球頓失皎潔，即為月食。所以月食一定出現在望日，即農曆十五前後。

2. 日食的分類

日食一般分為三種類型：日全食、日偏食、日環食。

如圖所示，月球在背向太陽的一面形成一個錐形的影子區域，我們把它稱為影錐，其尖頂稱為焦點，影錐焦點前面的區域稱為本影，焦點延伸部分稱為偽本影，影錐外部的區域則稱為半影。由於地球繞太陽運轉和月球繞地球運轉的軌道都不是正圓，日、月、地相互之間的距離隨時不同，因而當月球投下影子時，地球在不同時候就會進入不同的影子區域，從而產生不同的日食現象。


2006年3月29日日全食

日全食  當地球離月球較近時，地球上有部分帶狀區域將落入月球本影的區域，這個區域內的觀測者將看到整個太陽園面都將被擋住，這就是壯觀的日全食。日全食開始時，太陽先是缺掉一角，然後缺掉的部分越來越大，直到整個太陽園面都被黑影所遮掩，此事整個天空會一下子暗下來，好像突然進入了黑夜，許多星星突現在天空中。太陽的中心一片漆黑，周圍可見一圈玫瑰色的大氣層，就是平時難得一見的色球層，有幸的話還可以看到紅色的日珥。色球層的外面則是變化多端的日冕。就在太陽整個園面被月影遮蔽的一瞬間，還可以看見美麗的貝利珠現象，這是由於月球邊緣有很多山脈，遮擋太陽時不均勻所造成的景觀。


日環食

日環食  當地球距離太陽較遠時，地球將落入月球偽本影的區域，此時月球的影子比太陽的視園面小，不足以將整個太陽園面遮擋住，因而這個區域內的觀測者將看到太陽被遮擋的園面外圍露出一圈迷人的圈環，離焦點越遠，這個環就越大。


日偏食

日偏食  在月球影錐的外圍區域，也就是半影在地球上掃過的區域內，觀測者都只能看到太陽的一部分被遮擋，他們所見就是日偏食。每當發生日食時，地球上只有一個很窄的帶狀區域（即本影或偽本影在地球表面掃過的區域，稱為全食帶或環食帶，寬度通常只有幾十千米到二、三百千米）內的人能夠看到日全食和日環食，而在此帶狀區域外圍的人就只能看到太陽的一部分被遮掩，即為日偏食。

3. 日全食的全過程

由於月球相對於恆星背景是自西向東運動，因此日食總是從太陽的右側開始，日食發生時，根據月球視圓面同太陽視圓面的位置關係，可把日食過程分為以下五種現象：



（1）初虧  月球東邊緣剛剛同太陽視圓面的西邊緣相接觸的時刻叫做初虧。初虧是第一次外切，是日食的開始。由於太陽每日沿黃道東移大約10，而月球每日沿白道東移大約13 0，因此月球比太陽運行得快，日食時是月球從西向東追上太陽，所以日食是從太陽的西邊緣開始的。

（2）食既  初虧後大約一小時，月球的東邊緣和太陽的東邊緣相內切的時刻叫做食既。食既是第一次內切，是日全食的開始，從這個時候起，月球視圓面就把整個太陽日面遮住了，日全食從此真正開始。日偏食和日環食無此過程。

（3）食甚  月球影子中心移到同太陽中心最近的時刻（既兩交食天體的視面中心距離）叫做食甚。食甚是太陽被食最深的時刻，也就是日全食或日環食的中心時刻。發生日偏食時，食甚是指被食程度達到最大的時刻。

（4）生光  月球的西邊緣和太陽的西邊緣相內切的時刻叫做生光。生光是第二次內切，是日全食的結束。從食既到生光一般只有2—3分鐘，最長不超過7分半鐘。日偏食和日環食無此階段。

（5）復圓  生光後大約一個小時，月球的西邊緣和太陽視圓面的東邊緣相接觸的時刻叫做復圓，復圓是第二次外切，從這時候起，月球與太陽視圓面完全脫離接觸時刻。整個日食過程結束。


4. 日食觀測方法

日食的觀測方法有多種，但是前往不能用肉眼直接觀測是很危險的。在太陽視園面尚未被完全遮蔽的階段，陽光始終是很強烈的，直視太陽會燒傷視網膜，損傷視力，嚴重者可導致失明。只有進入全食階段時，才可以用肉眼直接欣賞太陽漂亮的外層大氣。而在偏食階段，可以用下列方法觀看。

1、使用太陽眼鏡或專門的濾光片擋在眼睛前面觀看，就可以舒適地觀測日食發生的全過程。（圖：透過濾光片觀測太陽）

2、使用望遠鏡觀測。比較妥當的方法是使用投影板，投影板安裝在目鏡的一端，調整目鏡焦距，使在投影板上出現清晰的太陽像。發生日食時就可以在投影板上觀測日食的全過程。若條件許可，觀測者應快速描圖，繪出日食時太陽上發生的顯著現象。如倍利珠，日冕形狀，日珥等等。若用目鏡直接觀測，一定要加上專用的太陽濾光片。

3、拍攝日食照片。望遠鏡前端一定要加上專用的太陽濾光片，拍照時間要根據太陽被遮掩的程度做調整，合適的曝光時間需在日食發生之前就做好各種試驗，日食發生時要圍繞估計的最佳曝光時間進行不同長度的露光，以選取理想的拍攝結果。

5. 日（月）食的規律與週期

由於地球繞太陽和月球繞地球的公轉運動和黃白交點的移動都是有規律的，所以日食和月食都是可以準確進行預報的。就全球範圍而言，日食並不罕見，每年至少發生兩次，但是由於每次都只有少數一些地區能夠欣賞到日全食（或環食），所以對某一個地區而言，要看到一次日全食的壯觀景象就很不容易了，平均要二三百年才有一次這樣的機會。

6. 觀測日食的科學價值

日食是一種罕見的天象，特別是日全食，對科學研究有很大的價值。在日冕儀未發明之前，日食是科學家研究太陽大氣唯一可以利用的機會，也是天文學家利用日全食時月影遮住太陽光球，短暫的黑夜降臨的特殊天象，觀測色球和日冕，並拍攝色球、日冕的照片和閃光光譜照片，從而研究有關太陽物理狀態和化學組成。例如在1868年8月18日的日全食觀測中，法國天文學家讓桑拍攝了日珥光譜，發現了一種新的元素「氦」，這個元素一直在過了二十多年之後，才由英國化學家雷姆素在地球上找到。日食為科學家提供了研究電離層、日地空間環境、地球物理效應和大氣溫度效應的機會。1919年，天文學家利用日全食驗證了愛因斯坦在相對論中關於光線在引力場中偏轉的效應預言，直到現代仍然有許多科學家利用日全食的機會進行各種特別的觀測，對一些平時難以驗證的物理規律進行研究。日全食時拍攝的太陽光譜資料，也仍然是建立太陽色球，光球和日冕大氣模型的重要觀測資料。