“金環日食”奇觀上演 來看看日食背後那些秘密②_風聞

上一篇我們帶大家瞭解了日食的成因，以及我國對於日食的早期記載，神奇的日食，是大自然贈予我們的禮物，今天我們繼續開啓日食知識之旅～

日食名詞

根據月面遮蓋日面程度的不同，日食有不同的分類。整個過程中，月面中心與日面中心最為靠近的時候：

月面能夠完整地把整個日面遮住，就叫做日全食。

月面邊緣全部進入日面輪廓內，但還留有一圈日面的圓環，就叫做日環食。

日全食與日環食統稱為“中心食”。

月面邊緣沒有全部進入到日面輪廓裏，就叫做日偏食。日全食與日環食的過程中，一定會發生日偏食。但日偏食發生時未必會出現日環食、日全食。

除此之外，還有一種極為罕見的日食，在其核心食帶的兩端，看到的是日環食。在核心食帶的中間部分，看到的則是日全食。這種日食一般被稱為“全環食”或“混合食”。

圖1 日食的種類（距離與大小不依實際比例）

A 本影區出現日全食。日全食發生時，太陽視直徑略小於月球視直徑。

B 偽本影區出現日環食。日環食發生時，太陽視直徑略大於月球視直徑。

C 半影區出現日偏食  

圖片來源：維基百科

類似的情況，當地球運行到月亮和太陽連線上時，地球的影子投到月亮上，就會發生月食。由於篇幅有限，本文就不再對月食做太多分析了。

日食食分

以日食為例，日偏食或中心食偏食階段的食分，是指太陽被月球遮蔽的角直徑與太陽的角直徑與之比。中心食食甚階段的食分，是指月球角直徑與太陽角直徑之比。

日偏食或中心食的偏食階段，食分大於0小於1。

日環食食甚時的食分，接近1但小於1。

日全食食甚時，食分大於等於1。

圖2 日食的食分示意圖

圖片來源：www.timeanddate.com

很多公眾媒體在進行日食的報道時，會提及食分的數值，但不會提及定義。因此很多人會把日食食分當做日面被月球遮蓋的面積率。實際上這是錯誤的。以剛剛過去的這次（2019年12月26日）的日環食為例，北京僅能看到日偏食，食分約為0.15，實際上食甚時的遮蓋面積僅為大約6.8%。

日環食與日全食

在我們的日常語彙當中，日全食被提及的頻率往往會比日環食要高。因此很多人會以為日環食是日全食的一種特殊情況，且日環食會比日全食更為罕見。實際上，這也是完全錯誤的觀念。

首先，從日食分類來説，日環食與日全食統稱為“中心食”，但兩者被認為是不同類型的日食。

其次，根據對公元前1999年至公元3000年這五千年當中的日食發生次數的統計（見表1），日環食發生的幾率，比日全食還要高一些！

表1 公元前1999年至公元3000年日食統計表

數據來源：NASA’s Goddard Space Flight Center Eclipse Web Site, Fred Espenak

日食與月相

在筆者的科普工作經歷當中，有太多的公眾將日月食的成因與月相變化的原因混為一談，認為月亮的陰晴圓缺是由於地球的遮擋所造成的。誠然，這兩者都是在一個圓面上產生的形狀變化，但只要將兩者進行簡單的對比，就可以發現很明顯的不同之處。月相變化顯然不是由於某個球形實體遮擋而形成的。

圖3 日環食期間的日面變化過程

拍攝&製圖：孫思

圖4 月相變化過程圖

素材來源：Ernie Wright,Scientific Visualization Studio

製圖：克留

我們知道，平面上兩個圓形的位置關係有相離、外切、相交、內切、內含五種情況。我們如果將太陽與月球這兩個球體投影為圓形，就可以用圓與圓的位置關係來幫助理解日食過程中的重要時間節點。

圖5 平面上的圓與圓的位置關係示意圖

圖片來源：《義務教育教科書：數學（九年級上冊）》人民教育出版社2013年版，第103頁

以中心食的核心食帶為例，當日面與月面兩個圓形：

1、第一次外切時，這個時刻叫做“初虧”。日面有一個邊緣即將開始被遮擋。這是日食的開始。

2、第一次相交的時間過程，叫做“日偏食”或“偏食階段”

3、第一次內切時，如果是日全食，這個時刻叫做“食既”。這時日面完全被月面遮擋住，天空彷彿突然黑了下來。如果是日環食，這個時刻叫做“環食始”。這時月面完全進入到日面範圍內，太陽即將會變成出一輪明亮的光環。

4、當月面中心與日面中心最接近的時刻，叫做“食甚”。如果是日全食，太陽這時會變得最黑。如果是日環食，這時的太陽就變成了一個非常完美的圓形光環。

5、第二次內切時，如果是日全食，這個時刻叫做“生光”，日面邊緣即將開始變亮。如果是日環食，這個時刻叫做“環食終”，能夠看到月面即將開始移出日面的範圍內。

6、第二次相交的時間過程，叫做“日偏食”或“偏食階段”

7、第二次外切時，這個時刻叫做“復圓”。日面完全恢復圓形。日食結束。

對於日全食來説，“食既”之前與“生光”之後，都有一瞬間，日面的邊緣處有一個點會特別明亮，就像一顆璀璨的明珠，這個現象被稱為“貝利珠”。

對於最多隻能看到日偏食的情形，則全程只有“初虧”“食甚”“復圓”三個節點。

表2 日面與月面兩個圓形位置關係示意

日環食和日全食關鍵階段圖片為作者利用Stellarium 0.19.2軟件演示截圖，兩張貝利珠圖片由王樂天提供（2009年7月22日拍攝於宜昌市）

圖6 2019年12月26日阿聯酋·阿布扎比的日環食  攝影：楊勇

日食規律

人類很早就開始注意到了日食的出現會有一些規律。除了“日食則朔，月食則望”，還不難發現一個有趣的規律。以2019年和2020年的日食與月食情況舉例，對兩年內發生的日食（或月食）最大食時刻進行了統計（表3）。

表3 2019年與2020年日食與月食最大食時刻統計表

（格林尼治標準時）

最大食時刻：對於日食即指日食食分最大的時刻，對於月食即指地球影錐軸線最接近月球中心的時刻。

數據來源：NASA’s Goddard Space Flight Center Eclipse Web Site

表中統計直觀地展示了“大多數日食與月食是成對出現的”這個規律。如果我們再進一步關注它們的發生時刻，則不難發現每一對日食與月食之間的間隔大約是在14或15天左右。對以上五對日月食時間間隔做簡單的平均值計算，結果大約是14.844天。而一個朔望月（指月球連續兩次合朔的平均時間間隔）的週期大約是29.53天，29.53÷2=14.765天。如果我們將上圖的樣本擴大，每一對日食與月食的平均時間間隔一定會更接近14.765天這個數字。也就是説，在一個朔望月當中，如果出現了日食（或月食），那麼半個朔望月後，很大概率將會發生月食（或日食）。當然，這個規律顯得不是那麼保險。這是因為日-地-月三者位置關係還需要在空間當中進行考慮，這遠遠要比以上我們提及的這幾個週期要複雜得多。

沙羅週期

除了以上這個顯而易見又略顯粗糙的規律，古巴比倫天文學家還發現了一個關於日食月食的更加複雜的週期性規律。即223個朔望月≈242個交點月≈239個近點月，這個時間長度大約是18年11天又8小時，這就是沙羅週期。其中，交點月為月球連續兩次黃道升交點（或降交點）的平均時間間隔，約為27.21天；近點月為月球連續兩次經過近地點的平均時間間隔，約為27.55天。

這意味着，每經過一個沙羅週期，月球所經歷的朔望月、交點月和近點月幾乎都是整數，地球、太陽和月球三者的幾何關係幾乎完全一樣：月球在相同的交點上，有着相同的相位和與地球相同的距離。知道在某一天曾經發生一次食，則經過一個沙羅週期之際，幾乎一樣的日食或月食將再度發生。剛剛發生的這一次日環食（2019年12月26日）屬於第132號沙羅序列。這個序列的下一次日食將會發生在2038年1月5日。

圖7 136號沙羅週期的九次日食帶示意圖

圖片來源：NASA’s Goddard Space Flight Center Eclipse Web Site

製圖：Michael Zeiler, Xavier Jubier, Fred Espenak, NASA Goddard Space Flight Center

同一沙羅週期的日食，太陽、地球、月球的相對位置基本一樣，因此食帶形狀看起來都很相像。但由於地球自轉的因素，使得每次食帶的具體位置有所移動。

日食計算與預測

根據沙羅週期進行運算，屬於同一序列的日食在同一地點連續發生兩次的最短間隔，至少需要經過三個沙羅週期，也就是大約54年33天。由於中心食的關注度明顯要高於日偏食。因此，當我們實際考察某地連續兩次發生中心食的時間間隔時，就會發現實際情況要比這複雜得多。

以北京為例，在1802年8月28日15:46:38發生了一次日環食食甚後，下一次日食中心食將發生在2035年9月2日08:33:25，這是一次日全食。這中間竟然間隔了233年61天16小時52分30秒。在中國近現代史上最為激盪的20世紀這一百年中，採用美國國家航空航天局戈達德空間飛行中心日食月食網站（NASA Goddard Space Flight Center Eclipse Web Site）的計算器進行推算，北京地區（座標採用東經116°25′，北緯39°55′計算）竟然一場日食中心食都看不到。這對於北京地區（未考慮北京行政區域在不斷擴大）的天文工作者和愛好者來説，真的是非常遺憾！

而在下個世紀，2118年3月22日和2124年5月14日，北京就會先後有一次日環食和日全食，間隔僅有6年多！因此，單純籠統地説每隔多久，同一個地點就會出現一次日食中心食，是很不嚴謹的説法。這也是很多公眾媒體在進行報道時常見的誤導。

總之，日食月食的計算與預測，是一個非常複雜的數學問題。過程中需要考慮到非常多的修正值。以上引用的一些常量（如朔望月長度），僅僅只是一個時期之內測量出的統計值。以上展示的原理，也僅僅只是最基本的一些思路。有興趣的讀者可以根據公開的天文數據做更精確的運算，説不定可以發現一些更有趣的規律。