第5章 日食原理与三种日食

苏东坡脍炙人口的词句“月有阴晴圆缺，此事古难全”，表述的就是月相不以人的意愿而客观地周期变化。月相周期变化的原因有2个：①月球、地球和太阳的周期性“会合运动”；②月球本身不发射可见光，而我们看到的只是月球被太阳光照亮的部分。

月球绕地球转动的同时，还和地球一起绕太阳公转，因而月球在天球上相对于太阳的视运动是一种会合运动。当月球运行到地球与太阳之间、月球与太阳的地心黄经相同之时（定为农历月的初一），月球未被太阳光照的暗半球对向地球，“视而不见”，这称为朔或新月。随后，月球与太阳的黄经之差逐渐增大，向东偏离太阳，日落后在西方看到月球被太阳照亮的小部分呈弯向太阳的镰刀形“娥眉月”。当月球与太阳的黄经之差达90°时，我们看到月球被太阳照亮半球的一半而呈半圆形，称为上弦月。其后，我们看到月球被太阳照亮的部分更多。到月球与太阳的黄经之差达180°（农历每月十五或十六）时，可以看到月球被太阳照亮的全部半球呈圆形，称为满月或望。望之后，我们看到月球被太阳照亮的部分逐渐减少，当月球与太阳的黄经之差达270°时，我们看到被太阳照亮的月球另半球而呈半圆形，称为下弦月，而后在黎明前看到呈弯向太阳的镰刀形“残月”。

经过1个朔望月，又开始下次新月和重复的月相变化。虽然在月相变化中，我们看到的只是月球被太阳照亮的部分，月球没有被太阳照亮的其余部分也不是完全黑暗的，仍依稀有“灰光”，尤其用强光力望远镜可以观测到月球的灰光部分。月球的灰光是由于地球反射少量太阳光照到了月球的背太阳部分。

在中学和小学，常用太阳、地球、月球三体运行仪来演示它们的会合运动及日食和月食的原理，而实际情况还要复杂得多，也很难按比例来准确图示，而用近似的示意图还是可以说明一些情况的。这是设想自己从“外星人”角度来观察的情况。

月球绕地球转动的轨道面称为“白道面”，它与地球绕太阳公转轨道面（“黄道面”）的平均交角为5°8′4342″，白道面与黄道面的交角以173天周期变化±9′。白道面与天球相交的大圆称为“白道”，从地球上观测，月球每个“恒星月”沿白道视运动一圈。白道与黄道有2个交点：月球从南到北穿过黄道的“升交点”和从北向南穿过的“降交点”。月球轨道的近地点与远地点连线——拱线也不断地自西向东进动，进动周期为8.849年。按不同的基准来计量，月球的轨道运动周期有4种表述：①恒星月是以恒星为基准，月球在星空天球视运动一圈的周期，实际上是月球绕地球转动一圈的时间间隔，1恒星月为27.32166天（“天”就是“平太阳日”）；②近点月是月球连续两次经过近地点的时间间隔，1近点月为27.55455天；③交点月是月球连续两次经过升交点的时间间隔，1交点月为27.21222天；④朔望月是月相变化的周期，它是以太阳为基准的会合运动周期，月球与太阳的地心黄经连续两次相同（朔）的时间间隔，1朔望月为29.53059天。

只有月球在“朔”且恰好经过白道面一黄道面的“交线”很近时，才可能发生日食。别的“朔”时因月球离黄道面远，就不会发生日食。

月球绕地球转动的轨道和地（球）-月（球）系绕太阳公转轨道都是椭圆，太阳一地球距离变化于0.9832603～1.0167056天文单位（1天文单位=1.4959787亿千米），地球-月球距离变化于约356400～406700千米，相应地，太阳视圆面（简称“日轮”）的角直径变化于31′28″～32′32″，月球视面的角直径变化于29′22″～33′26″。

由于月球不发射可见光，在太阳（日轮）光照射下，月球后面形成日轮光完全照射不到的“本影”和有部分日轮光照到的“半影”。月球本影呈圆锥形，长度变化于366900～379700千米。把这些数值进行比较，就可以得出：月球本影锥的顶点有时可达到或超过地球表面，有时达不到地球表面。于是，按照地球表面与月球本影锥相交情况的不同而发生3类日食：

（1）日全食。月球本影锥超过地球表面，在本影锥内的地面区完全看不到日轮，即月球完全遮住了日轮，这是观测暗淡的太阳大气——色球和日冕奇观的最好机会。

（2）日环食。月球本影锥顶点达不到地球表面，但在其延长的“伪本影”内地面区可看到日轮外部的环形部分，即月球遮住了日轮中央大部分而外缘仍显露。若露出的环很细，也可以看到“贝利珠”。

（3）日偏食。在月球半影内的地面区只看到部分日轮，即月球只遮住部分日轮。一种情况是月球本影锥完全偏过地球，仅半影跟地球表面相交，整个地球都看不到日全食或日环食。另些情况是日全食或日环食时，在月球半影区内看到日偏食。

此外，就整个地球而言，还有“全环食”，这是由于在整个地球的日食全过程中，月球本影锥顶点在小段时间达不到地面某区、而另段时间超过地面某区。实际上，由于月球的视运动很快，月球的本影和半影都扫过地球表面局部地带——本影带和半影带。本影带的宽度可达约270千米，半影带宽度可达约7000千米。