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哥白尼没见过水星？观测水星的最好时间( 二 )


大距时水星和太阳的角距离，称为“距角”。因为椭圆轨道的关系，水星大距时的距角并不恒定，最大可达28.3度，最小只有18度。这里容易混淆的是，18度是距角的最小值，不是水星和太阳角距离的最小值。角距离完全可以小到0度，“水星凌日”时就是如此。借用数学上的概念，距角就是角距离函数的局部“极大值”。
水星大距可以发生在一年中的任何时候。由于水星和地球的轨道都比较固定（即近日点进动短期内不明显），所以某个日期发生大距时，距角应该是个固定的值。也就是说，只要是在这天发生的大距，距角都基本相等，我们可以结合图2仔细思考一下其中的道理。在图3中，我们统计了2000~2020年间水星大距发生的日期和当时的距角，可见它俩的确是一一对应的。发生在3月下旬的西大距或者8月中下旬的东大距，距角最大。发生在2月下旬的东大距或者9月中下旬的西大距，距角最小。
南半球条件更佳
角距离与前面提到的“夹角”，共同决定了日出、日落时水星的地平高度。其中夹角的影响更大一些。
距角是角距离的极大值，它只和日期有关，和纬度无关，所以它实际上限制了给定日期水星高度的最大值。如图3所示，以9月21日秋分日为例，水星东大距的距角为26.5度左右。无论我们在哪儿观测，日落时水星的地平高度都不可能超过26.5度。我们不妨用一根棍子的高度来类比水星高度：距角相当于棍子的长度，无论棍子在地平面上怎么摆放，它的高度都只能小于等于长度。

哥白尼没见过水星？观测水星的最好时间
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图32000~2020年水星大距情况统计。横坐标为大距发生的日期，纵坐标为大距时的距角，单位为度。橙色数据点为东大距（昏星），蓝色数据点为西大距（晨星）。距角限制了水星高度的最大值。例如1月4日，无论在哪儿观测，无论“夹角”取值如何，日落时水星的地平高度都不可能超过19.5度。数据来源：《天文爱好者》历年增刊。
“夹角”相当于指定了棍子的倾斜角度，它不仅和日期有关，还随纬度变化，最终决定了给定日期、给定地点的水星高度的最大值。还是以9月21日为例，日落时在赤道上观测，此时“夹角”为67.5度，水星高度最大可以达到26度；而在北京观测，因为日落时的“夹角”只有27.5度，水星最高也不会过超13度。用棍子类比的话，也就是在同一天，对同一根棍子，不同纬度要求不同的摆放角度，结果各地所见的高度也都不相同。
如果“夹角”最大时正好碰上距角比较大，那么水星的地平高度就比较高（注：水星的公转轨道面并不完全重合于黄道面，而是还有7度的夹角，这会增加问题的复杂性，不过对结果影响不大）。这样两全其美的情形恰好发生在南半球。距角最大的西大距发生在3月下旬，此时水星是晨星，并且正好碰上南半球大部分地区日出时的夹角最大，水星可以比较高。而在北半球，3月下旬日出时夹角最小，两相叠加，水星的地平高度仍然很低。发生在8月下旬的东大距也是如此。
表2 日落时，不同纬度处水星地平高度的最大值。纬度越高，水星越低；南半球高于北半球。数据来源：利用stellarium软件统计得出。
在北半球总是大距角碰上小夹角，而南半球能赶上大距角加大夹角，所以总体而言，南半球看到的水星可以更高。如表2所示，在南半球中纬地区，日落时刻水星大距时的地平高度最大可达27度左右。而在北半球中纬地区，最大高度基本在21度上下。而且越往北，水星高度越低，观测难度越大。哥白尼所在的波兰，水星全年都不到17度，再加上天气多雾，确实不容易见到它。
哪天观测水星最好？
我国的大部分地区，一年通常只有2～3次最佳的水星观测机会。分别是：发生在3月底到6月初之间的东大距，最好是5月中下旬的东大距。这时水星是昏星，可以在傍晚时向西方天空去寻找；以及发生在9月初到 12月初之间的西大距，最好是10月中下旬的西大距。这时水星是晨星，要在黎明时向东方寻找。

哥白尼没见过水星？观测水星的最好时间
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图4 北京地区水星大距当天日落时刻，水星的地平高度（2000年-2050 年）。数据提供：北京天文馆 曹军
以北京地区为例，总体而言，如果我们想在日落时看到水星，1~7月的机会更好，后半年条件较差。如图4所示，8月到12月这段时间日落时水星的地平高度最大也不到15度，尤其是9月中旬到整个10月，最高时也只在10度左右徘徊，基本上无法见到。晨星正好相反，从2月到6月都很低，最好选在下半年观测。5月中下旬的昏星，水星最高可达20度左右，为全年昏星之最；10月中下旬的晨星，高度最大可达18度左右，为全年晨星之最。其他时候高度更低、观测难度更大。例如2020年2月10日水星东大距，日落时地平高度在16°左右。注意，并不是说5月和10月的水星就一定会比较高，还需要恰逢大距才行。如果当时水星处于上合或下合附近，那就只能静待来年了。另外，水星最高并不一定发生在大距当天，可能提前或推迟一天左右。

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