空间物理漫谈 | 爱“捉迷藏”的太阳和月亮
原创 大雁
最近一个月的天空有点热闹，太阳、月亮和我们玩起了“捉迷藏”。在继半个月前的月全食之后，还有一场日环食将在今天16:11拉开帷幕。
2021年5月26晚上，夜空上演了一场 “超级月亮”与“红月亮”的约会——当月亮沿着它的轨道运行到地球黑夜一侧，月全食恰好发生在近地点附近，“躲进”地球影子里的红月亮看上去比其他时间要大一些。
图1. 2021年5月26日的月全食：“红月亮”。
月亮是地球的天然卫星，其半径约为1738千米，相当于地球半径的0.27倍。月球围绕地球公转的轨道是一个偏心率约为0.05的椭圆，轨道的近地点为35.7万千米，远地点为40.6万千米，地球到月球的平均距离为38.4万千米。由于潮汐锁定，相对于恒星背景而言，月球的公转周期和自转周期都是27.32天。但在太阳系中，由于在月球围绕地球公转的同时，地球也在围绕太阳公转，而且月球公转轨道的长轴方向是随着地球公转而基本保持不变的，因此，相邻两次满月间隔的时间要比月球的公转周期长一点，约为29.53天。月球的公转轨道称为白道，地球的公转轨道称为黄道，它们之间的夹角大约为5.15°。
图2. 黄道与白道的交角。
（图片来源于网络，经作者部分注解）
在月亮围绕地球公转一周的时间内，月相是不断变化的。当月球运行到太阳与地球之间，并且三者基本在一条直线上时，就称为 “新月”，这一天在我国的阴历中被定为初一，初一的晚上月亮是暗的，太阳照不到的那一侧朝向地球。当月球运行到地球远离太阳的一侧，并且三者基本在一条直线上时，太阳照亮的那一侧朝向地球，晚上月亮是圆的，就称为“满月”，这一天在我国阴历中被定为十五，十五的月亮就像李白诗中写的那样：“小时不识月，呼作白玉盘。”
“超级月亮”是指满月或新月发生在近地点附近的现象。在地球围绕太阳公转的过程中，月球轨道的长半轴相对于恒星背景基本是指向同一个方向的。因此月球轨道长轴在一年中的某个时刻是与日地连线基本重合的。如果此时恰逢农历十五，近地点在太阳与地球连线的外侧，那么满月就会发生在近地点，形成“超级月亮”，“白玉盘”看上去要大一些。实际上，月亮运行到近地点的时刻，不会恰好是满月的时刻，而是在近地点的前后，有两次相邻的满月最接近近地点。这两次满月都是“超级月亮”。如果新月发生在近地点附近，那么相邻的满月就会很小，因为月球此时位于远地点附近。
如果没有白道与黄道之间约为5.15°的夹角，白道与黄道重合在一起，每月阴历十五，月球运转到太阳与地球连线上时，都会被地球完全挡住而发生月食；每月阴历初一，当月球运转到太阳与地球中间时，太阳都会被月球挡住而发生日食。因为有了这个黄白夹角，月球的位置会偏离黄道面。只有当黄道面与白道面的交线与日地连线基本重合时，至少两条线夹角不太大时,才能保证当太阳、地球和月球在黄道面内满足三点一线时，月球不会偏离黄道面太多，这样才会发生日食和月食。
图3. 日食的原理图。（图片来源于网络）
日食是指月球运行到太阳和地球之间，并且三者位于一条直线上，月球挡住太阳而形成的现象。实际上，就是月球的影子投射到地球上。由于太阳是一个面光源，月球后面的影子可以分为本影和半影，其中本影又分成两个圆锥形区域，靠近月球的本影部分和远离月球的本影部分。当观察者处于靠近月球的那部分本影中时，月球距离观察者较近，阻挡阳光的月球就显得较大，就会看到日全食；当观察者处于远离月球的那部分本影中时，月球距离观察者较远，阻挡阳光的月球就显得较小，就会看到日环食。这个过程可以用一个篮球在阳光下演示和体验。而当观察者处于半影中时，就只能看到日偏食。
图4. 月食形成原理图。
（图片来源于网络）
月食是指地球位于太阳和月亮之间，并且三者在一条直线上，月球进入地球的影子里，地球挡住了照到月球上的太阳光，而使月球部分变暗或者全部变暗。同样的，由于太阳是一个面光源，地球的影子也分为本影和半影。当月球运行到地球的半影中，就会发生半影月食，月亮只是稍微变暗一点，像是披上了一层薄纱；当月球运行到地球的本影中，就会发生本影月食。本影月食又分为月偏食和月全食：当月球一部分进入本影，另一部分就会在半影中，此时就会形成月偏食；当月亮完全进入本影，就会被全部挡住，形成月全食，此时阳光虽然被地球完全挡住，但是透过地球大气折射，仍有一部分太阳光照到月球上，这部分被折射到月球上的光以波长较长的红光为主，所以月全食时月亮看上去是红色的，称为“红月亮”。由于黄白交角，当月球与地球和太阳在黄道面内满足三点一线，但月球往上或者往下偏离了黄道面，月球就会部分地穿越本影，从而形成月偏食。那么会不会发生“月环食”呢？我们可以通过简单计算来验证一下。太阳到地球的距离是1.5亿千米，太阳直径是地球直径的109倍，如果要发生日环食，需要月球处于远离地球的那部分本影中。两个圆锥形本影交界的地方就是圆锥顶点，这个顶点距离地球92.5万公里，而月球到地球最远距离为40.6万千米，显然，无法到达“月环食”的距离。因此，目前的日地距离和地月距离决定了不会发生“月环食”。
5月26日的月全食，是因为这天满月，而且月球恰好位于白道和黄道的交线上，月球处于日地连线上，并且完全位于地球的本影中，这样才具备了形成月全食的条件，上演了今年的“红月亮”。更难得一见的是，这次“红月亮”还不是普通的“红月亮”，它正好位于近地点附近，还是“超级月亮”，二者合体，就成了“超级红月亮”。更有趣的是，古代月食被认为是“天狗吃月亮”，而这次月食，恰好发生在天蝎座的头部，更换了“肇事者”，可以说是“天蝎吃月亮”。
图5. 2021年5月26日的“天蝎吃月亮”。
（图片来源于星图APP截图）
你方唱罢我登场。“超级红月亮”的兴奋劲儿还没有过去，时隔半个月之后的6月10日，又一场精彩天象——日环食在天空上演了。日环食就是当月亮位于太阳和地球之间，三者位于一条直线上时，月亮挡住了太阳，并且由于月球距离地球较远，不能完全挡住太阳，只能挡住太阳“金盘子”的中间部分，而留下一圈的金边，就像一个金子做的指环。在人们无法解释自然现象的古代，日食带给人们恐惧，被认为是灾难来临的征兆。尤其是日环食，好好的一个“金盘子”，被莫名其妙的挖空了一个洞，只剩下一圈残余的金边，就更恐怖了。然而这次日环食，是由于太阳、地、月球之间的轨道关系决定的，是半个月前“超级红月亮”的带来的“连环表演”。因为5月26日的月全食是由于白道和黄道交线于日地连线基本重合，半个月后，这种条件依然存在；月全食期间恰逢月球位于近地点附近，半个月后，月球恰好位于远地点。这样，就形成了月球在地球中间，由于黄白交线靠近日地连线，三者基本位于一条直线上，可以形成日食；同时由于月球距离地球较远，因此可以形成日环食。因为日食可以看作是月球的影子投射到了地球上，这次日食又发生在夏至前的十几天，地球是以倾斜23.5°的姿势围绕太阳公转的，北极朝向太阳，月球的本影只能投射到北极地区，同时考虑这次日环食期间地球自转的位置，因此只能在跨越北极的很窄的区域才可以看到。我国部分地区可以看到日偏食。
图6. 日环食：来自天上的金戒指。
（图片来源于网络）
图7.2021年6月10日的环食带。
（图片来自网络视频截图）
同样是因为要满足白道与黄道的交线要与日地连线基本重合的条件，大约半年以后，12月4日还会发生一次日食。彼时月球距离地球较近，因此可以形成日全食。也同样是因为地球自转轴倾斜的原因，12月4的日全食，只能在南半球才可以看到。届时，又一场 “捉迷藏”的游戏将在南半球上演。
- 作者信息 -
大雁，有情怀的空间物理学博士，关注科普的一线科学家。
