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 。
【红月亮|空间物理漫谈 | 爱“捉迷藏”的太阳和月亮】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 。
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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° 。
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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 。
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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 。
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图4. 月食形成原理图 。
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” 。
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图5. 2021年5月26日的“天蝎吃月亮”
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 。
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图6. 日环食：来自天上的金戒指 。
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图7.2021年6月10日的环食带 。
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 。
来源：科协频道
作者： 大雁
编辑：裴津媛
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