4.5: 月球的相位和运动
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学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 解释月相的原因
- 了解月球是如何围绕地球旋转和旋转的
继太阳之后，月亮是天空中最明亮、最明显的物体。 与太阳不同，它不会在自身的力量下发光，而只是在阳光反射下发光。 如果你观察它在天空中的进度一个月，你会观察到一个阶段周期（不同的外观），在大约两周的时间里，月亮开始变暗，越来越多地被阳光照亮。 月球的圆盘变亮后，它开始消失，大约两周后又恢复了黑暗。
这些变化使许多早期文化着迷和神秘，这些文化产生了奇妙的故事和传说来解释月球的周期。 即使在现代世界中，许多人也不明白是什么原因导致了这些阶段，认为它们在某种程度上与地球的阴影有关。 让我们看看如何用月球相对于太阳系中明亮光源太阳的运动来解释相位。
月相
尽管我们知道太阳每个月都会绕天空移动1/12的路径，但为了解释各个阶段，我们可以假设在为期四周的月球周期中，太阳的光来自大致相同的方向。 另一方面，在那段时间里，月球完全绕地球移动。 当我们从地球的有利位置观察月球时，我们看到的阳光照亮了多少表面，取决于太阳与月球的角度。
这里有一个简单的实验，向你展示我们的意思：在完全黑暗的房间（或者夜间在户外）在明亮的电灯前站立大约 6 英尺，手里拿着一个小圆形物体，比如网球或橙子。 然后，你的头可以代表地球，光代表太阳，球代表月亮。 在你的头上移动球（确保你不会因为头部阻挡光线而造成日食）。 你会看到球上的相位，就像月球上的相位一样。 （了解月球的相位和运动的另一个好方法是在天空中跟踪我们的卫星一两个月，记录它的形状、与太阳的方向以及它何时升起和落下。）
让我们用图来看看月球的相位周期，它描绘了月球整个月的行为。 这个人物的诀窍在于，你必须想象自己站在地球上，在月球的每个阶段都面对月球。 因此，对于标有 “新” 的位置，你位于地球的右侧，现在是中午；对于 “已满” 的位置，你在半夜位于地球的左边。 请注意，在人物上的每个位置\(\PageIndex{1}\)，月亮都是半亮的，一半是暗的（就像阳光下的球一样）。 每个位置的差异与月球面对地球的哪一部分有关。
当月亮在天空中的大方向与太阳（位置A）相同时，据说它是新的。 在这里，它发光（明亮）的一面被拒之门外，它的阴暗面转向了我们。 从我们的角度来看，你可能会说太阳照在月球的 “错误” 一面。 在这个阶段，月球对我们来说是看不见的；它黑暗的岩石表面本身不会发出任何光线。 因为新月与太阳在天空的同一部分，所以它在日出时升起，在日落时落下。
但是月球在这个阶段停留的时间不长，因为它每天都在绕着我们的月度路径向东移动。 由于绕地球轨道运行大约需要30天，并且一圈有360°，因此月球每天将在天空中移动约12°（约为其自身直径的24倍）。 新阶段进入一两天后，当我们开始看到月球被照亮的半球的一小部分时，薄的新月形首次出现。 它已经移动到一个位置，现在它沿着一侧向我们反射一点阳光。 随着月亮在远离太阳方向（位置 B）的天空中移动得越来越远，明亮的新月形的大小会连续几天增加。 因为月亮正在向东移动，远离太阳，所以它每天升起的时间越来越晚（就像暑假期间的学生一样）。
大约一周后，月球已经绕过其轨道（位置C）的四分之一了，所以我们说它已经进入了第一季度阶段。 地球观察者可以看到月球被照亮的一半面。 由于月球向东运动，现在落后于太阳大约四分之一的时间，在中午左右升起，午夜左右落下。
在第一季度阶段结束后的一周内，我们看到越来越多的月球被照亮的半球（位置D），这个阶段被称为打蜡（或成长）凸起（来自拉丁语长臂猿，意思是驼峰）。 最终，月亮到达我们图中的 E 位置，它和太阳在天空中彼此对立。 月球朝向太阳的一面也转向地球，我们已经进入了完整的阶段。
当月亮满时，它与天空中的太阳对面。 月亮的作用与太阳的作用相反，日落时升起，日出时落下。 注意这在实践中意味着什么：完全被照亮（因此非常引人注目）的月亮在天黑时升起，整夜停留在天空中，并在黎明时分看到太阳的第一束光线时落下。 它整晚的照明可以帮助恋人浪漫漫步，帮助学生在图书馆度过漫长的夜晚或校外聚会后找到返回宿舍的路。
什么时候满月是天空中最高、最引人注目的呢？ 午夜时分，这个时代在几代恐怖小说和电影中都出名了。 （注意像德古拉这样的吸血鬼的行为与满月的行为有何相似之处：德古拉在日落时升起，在午夜做最糟糕的恶作剧，日出时必须回到棺材里。 古老的传说是体现月球行为的一种方式，在电灯和电视出现之前的日子里，月球是人们生活中更为戏剧化的一部分。）
民间传说认为，在满月时期，人们会看到更多疯狂的行为（月亮甚至给疯狂的行为起了个名字—— “疯狂”）。 但是，事实上，对这个 “假设” 的统计检验涉及医院急诊室和警察档案的数千份记录，并未显示人类行为与月相有任何关联。 例如，凶杀案在新月或新月期间的发生速度与满月期间的发生速度相同。 大多数调查人员认为，真实的故事不是在满月的夜晚会发生更多的疯狂行为，而是我们更有可能在整夜亮起的明亮天光的帮助下注意到或记住这种行为。
在满月之后的两周内，月球再次以相反的顺序经历相同的阶段（图中的F、G和H点\(\PageIndex{1}\)），大约29.5天后又回到了新阶段。 例如，满月大约一周后，月亮已进入第三季度，这意味着它已经过去了四分之三（并不是说它被照亮了四分之三——事实上，月球可见面的一半又变暗了）。 在这个阶段，月亮现在在午夜左右升起，大约在中午落下。
请注意，Figure 有一点很容易引起误解\(\PageIndex{1}\)。 如果你观察位于位置 E 的月球，尽管它在理论上已经满了，但看起来它的照明实际上会被一个肥胖的大地球阻挡，因此除了地球的阴影之外，我们在月球上看不到任何东西。 实际上，月球离地球的距离远不如这张图（以及大多数教科书中的图表）可能让你相信的那么近（它的路径与天空中的太阳的路径也不是完全相同）。
月球实际上距离我们 30 个地球直径；《科学与宇宙：简要之旅》包含一张示意图，显示了两个要缩放的物体。 而且，由于月球的轨道相对于太阳在天空中的路径是倾斜的，因此大多数月球的阴影都会错过月球。 这就是为什么我们经常接受满月待遇的原因。 地球阴影落在月球上的时间被称为月食，在《日食和月食》中进行了讨论。
天文学和一周中的日子
本周似乎与天体运动无关，尽管它的长度可能是基于月球四分之一阶段之间的时间。 在西方文化中，一周中的七天以古人在天空中看到的七个 “流浪者” 命名：太阳、月亮和肉眼可见的五颗行星（水星、金星、火星、木星和土星）。
在英语中，我们可以很容易地识别出星期日（星期日）、月亮（星期一）和土星日（星期六）的名字，但其他日子是以给行星命名的罗马众神的北欧语命名的。 在与拉丁语更直接相关的语言中，对应关系更清晰。 例如，水星的星期三是意大利语中的 mercoledi，法语中的 mercredi，西班牙语中的 miércoles。 火星将其命名为星期二（西班牙语为火星），木星或乔夫命名为星期四（意大利语为 giovedi），金星命名为星期五（法语为 vendredi）。
没有理由认为一周必须有七天而不是五到八天。 有趣的是，如果我们生活在一个没有望远镜的情况下可以看到更多行星的行星系统中，那么甲壳虫乐队可能是对的，我们很可能有 “每周八天”。
观看此动画，了解月球绕地球运行和地球绕太阳运行时的相位。
月球的革命和旋转
月球的恒星期，即相对于恒星测量的绕地球旋转的时期，略高于27天：确切地说，恒星月为27.3217天。 各阶段重复的时间间隔（比如从满到满）是太阳月，即 29.5306 天。 这种差异是由地球围绕太阳的运动造成的。 月球必须绕过移动的地球，才能回到相对于太阳的相同阶段。 正如我们所看到的，月球在天球上的位置变化相当快：即使在一个晚上，月亮在恒星中明显向东爬行，在不到1小时的时间内以自己的宽度移动。 这种向东运动导致的月出从一天延迟到下一天平均约为50分钟。
月球在其轴线上旋转的时间与绕地球旋转所需的时间完全相同。 因此，月球总是保持相同的面孔转向地球（图\(\PageIndex{2}\)）。 你可以通过 “绕轨道运动” 你的室友或其他志愿者来自己模拟。 首先面对你的室友。 如果你在围绕他或她旋转的同时用肩膀旋转（旋转）一次，那么在整个 “轨道” 中，你将继续面对你的室友。 正如我们将在接下来的章节中看到的那样，我们的月球并不是唯一表现出这种行为的世界，科学家称之为同步旋转。
月球从一个晚上到下一个夜晚的外观差异是由于太阳照明的变化，而不是由于它自身的旋转。 你有时会听到月球的背面（我们从未见过的一面）被称为 “阴暗面”。 这是对真实情况的误解：随着月球在地球上移动，哪一面是光，哪一面是黑暗的变化。 背面变暗的频率不高于正面。 由于月亮旋转，太阳升起并落在月球的四面八方。 向平克·弗洛伊德道歉的是，根本没有普通的 “月之暗面”。
关键概念和摘要
月球的每月相位周期源于太阳照明角度的变化。 只有在夜间才能在天空中看到满月；白天也可以看到其他相位。 由于月球的旋转周期与旋转周期相同，因此月球对地球始终保持相同的面貌。
词汇表
- 月相
- 从地球的月度周期，从新月到满月，再到新月，从地球上可以看出，月球上光明与暗的外观不同
- 恒星月
- 月球围绕地球的革命时期，相对于恒星来衡量
- 太阳月
- 各阶段重复的时间间隔，比如从满相到全相
- 同步旋转
- 当一个物体（例如月亮）的旋转速度与它围绕另一个物体旋转的速度相同时