4.7: 太阳和月亮的日食

学习目标

在本节结束时，您将能够：

• 描述导致月食和日食的原因
• 区分日全食和部分日食
• 解释为什么月食比日食更常见

目前生活在地球上的巧合之一是，两个最突出的天体——太阳和月亮，在天空中的表观大小几乎相同。 尽管太阳的直径比月球大约400倍，但距离的距离也约为400倍，因此太阳和月亮的角度大小相同，约为1/2°。 因此，从地球上看，月球似乎覆盖了太阳，从而产生了自然界中最令人印象深刻的事件之一。

太阳系中的任何固体物体都会阻挡来自太阳后方区域的光线，从而投射阴影。 每当另一个物体进入太空时，空间中的阴影就会变得明显。 通常，每当地球或月球的任何部分进入另一个部分的阴影时，就会发生日食。 当月球的阴影撞击地球时，阴影中的人们会看到太阳至少部分被月球覆盖；也就是说，他们目睹了日食。 当月球进入地球的阴影时，地球夜晚的人们会看到月亮在所谓的月食中变暗。 让我们更详细地看一下这些是如何发生的。

地球和月球的阴影由两部分组成：阴影最暗的圆锥体，称为本影，以及一个更轻、更漫反射的黑暗区域，称为半影。 你可以想象，最壮观的日食发生在物体进入本影时。 该图\(\PageIndex{1}\)说明了月球阴影的外观以及太阳和月亮在阴影中的不同点会是什么样子。

图：日\(\PageIndex{1}\)食。 (a) 显示了球形物体（例如月亮）投射的阴影。 注意深色本影和较浅的半影。 阴影中的四个点用数字标记。 在 (b) 中，你可以看到太阳和月亮在天空中的四个标记点处会是什么样子。 在位置 1，你会看到全食。 在位置2和3，日食是局部的。 在位置 4，月亮距离更远，因此无法完全覆盖太阳；因此，太阳周围会出现一圈光线，形成所谓的 “环状” 日食。

如果月亮在天空中的路径与太阳（黄道）的路径相同，那么我们预计每个月都会看到太阳和月亮的日食——每当月亮出现在太阳面前或进入地球的阴影时。 但是，正如我们提到的，月球的轨道相对于地球绕太阳的轨道平面倾斜了大约 5°（假设两个呼啦圈中心相同，但稍微倾斜一点）。 因此，在大多数月份中，月球在黄道平面的上方或下方足以避免日食。 但是，当两条路交叉时（每年两次），那就是 “日食季节”，日食是可能的。

日食

太阳和月亮的表观大小或角度大小不时会略有不同，因为它们与地球的距离会有所不同。 （图中\(\PageIndex{1}\)显示了观察点在 A—D 点处的距离变化，但思路是一样的。） 很多时候，月亮看起来比太阳小一点，即使两者完美对齐，也无法完全覆盖它。 在这种 “环食” 中，月球的黑暗球体周围有一圈光线。

但是，如果在月亮稍接近平均距离时发生日食，则月球可以完全隐藏太阳，从而产生日全食。 另一种说法是，太阳的全食发生在月球阴影的本影到达地球表面的时候。

图中说明了日全食的几何形状\(\PageIndex{2}\)。 如果太阳和月亮正确对齐，则月球最暗的阴影将在地球表面的某个小点与地面相交。 地球上被月影尖端覆盖的狭小区域内的任何人将在几分钟内看不见太阳，并将目睹全食。 同时，地球表面较大区域处于半影中的观察者只能看到太阳的一部分被月球黯然失色：我们称之为部分日食。

在地球自转和月球在其轨道上的运动之间，月球阴影的尖端以每小时大约 1500 千米的速度沿着一条细带向东扫过地球表面。 在地球上可以看到日全食的薄区域被称为日食路径（如果天气允许）。 在日食路径两侧约3000公里的区域内，可以看到部分日食。 不久之后，月球的阴影就会扫过地球上的给定点。 总的持续时间可能只是短暂的瞬间；它永远不会超过大约 7 分钟。

人物日全食的\(\PageIndex{2}\)几何图形。 请注意，我们的图表不是按比例绘制的。 从地球的某些地方看，月亮在新月阶段阻挡太阳，并在我们的星球上投下阴影。

因为太阳全食是如此壮观，所以如果可以的话，值得一试。 有些人的爱好是 “追逐日食”，他们吹嘘自己一生中见过多少日食。 由于地球的大部分表面都是水，因此追逐日食可能需要长时间的乘船旅行（通常也需要空中旅行）。 因此，追逐日食很少在普通大学生的预算范围内。 尽管如此，附录H中还是给出了未来的日食清单供你参考，以防万一你提早致富。 （而且，正如你在附录中看到的那样，2017年和2024年，美国将出现全食，即使是大学生也可能负担得起旅行费用。）

全食的出现

如果你有幸抓住了全食，你能看到什么？ 当月球刚刚开始在太阳盘边缘勾勒自己的轮廓时，日食就开始了。 随之而来的是部分阶段，在此期间，越来越多的太阳被月球覆盖。 日食开始大约一个小时后，太阳完全隐藏在月球后面。 在这段整体时期开始前的几分钟内，天空明显变暗，有些花在近处，鸡可能会栖息。 白天，当令人毛骨悚然的暮光之城突然降临时，其他动物（和人）可能会迷失方向。 总的来说，天空足够暗，行星在天空中变得可见，通常较亮的恒星也是如此。

当太阳的明亮圆盘完全隐藏在月球后面时，太阳非凡的日冕闪烁在视线中（图\(\PageIndex{3}\)）。 日冕是太阳的外部大气层，由稀疏气体组成，这些气体从太阳的表观表面向各个方向延伸数百万英里。 它通常不可见，因为与来自太阳底层的光相比，日冕的光线微弱。 只有在全食期间，当来自太阳可见圆盘的明亮眩光被月亮抹去时，珍珠白色的日冕才可见。 （我们将在《太阳：花园综艺之星》一章中更多地讨论日冕。）

想\(\PageIndex{3}\)像太阳的日冕。 在日全食期间，可以看到太阳的日冕（薄薄的外层大气层）。 （它在照片中看起来比肉眼看得更广泛。）

当月亮开始发现太阳时，日食的整个阶段就突然结束了。 渐渐地，日食的部分阶段以相反的顺序重演，直到月球完全露出太阳。 我们应该在这里提出一个重要的安全观点：虽然可以安全地看待全食的几分钟，但如果太阳的任何部分被发现，你必须戴上安全的日食眼镜 ² 或投射太阳的图像（而不是直接看太阳）来保护你的眼睛。 欲了解更多信息，请阅读本节中的 “如何观察日食” 框。

月食

当月球进入地球的阴影时，就会发生月食。 月食的几何形状如图所示\(\PageIndex{4}\)。 地球的暗影长约140万公里，因此在月球的距离（平均38.4万千米）处，它可以覆盖大约四颗满月。 与仅在地球某些区域可见的日食不同，所有能看见月球的人都能看到月食。 由于（如果天气允许）可以从地球的整个夜晚看到月食，因此从地球上给定地点观测到月食的频率远高于日食。

人物月食的\(\PageIndex{4}\)几何图形。 图为月全食期间，月球在地球阴影的不同部分移动。 请注意，为了清楚起见，这里夸大了月球在日食期间在其轨道上移动的距离。

只有当月球的路径带它穿过地球的本影时，月球才是全食。 如果月亮没有完全进入本影，我们就会出现月球的偏食。 但是，由于地球比月球大，它的本影更大，因此月食的持续时间比日食更长，正如我们将在下面讨论的那样。

月食只有在太阳、地球和月亮排成一条直线时才会发生。 月亮与太阳对面，这意味着月亮将在日食之前处于满相，这使得变暗变得更加戏剧化。 在月球到达暗影前大约 20 分钟，由于地球部分阻挡了阳光，它会稍微变暗。 随着月球开始浸入阴影中，地球上阴影的弯曲形状很快就会显现出来。

即使完全黯然失色，月亮仍然隐约可见，通常呈现暗铜红色。 黯然失色的月球上的照明是通过地球大气层弯曲成地球阴影的阳光。

总的来说，月亮会从阴影中移出，事件顺序颠倒了。 日食的总持续时间取决于月球的路径与阴影轴线的距离。 对于月球穿过地球阴影中心的日食，每个部分阶段至少消耗1小时，总共可以持续长达1小时40分钟。 月食比日食更 “民主”。 由于在地球的整个夜晚都可以看到满月，因此所有生活在那个半球的人都可以看到月食。 （回想一下，只有在本影阴影落下的狭窄路径上才能看到太阳的全食。） 平均而言，月球全食大约每两三年发生一次。 附录H中列出了未来的月全食清单。此外，由于月食发生在满月上，而且看满月并不危险，因此每个人都可以在日食的所有部分观察月球而不必担心安全。

由于我们对重力和运动的理解（参见 Orbits and Gravity），现在可以提前几个世纪预测日食。 自从人类被太阳或月亮的变暗所吓坏以来，我们已经走了很长一段路，害怕众神的不满。 今天，我们在欣赏天空秀的同时，健康地欣赏了维持太阳系运转的雄伟力量。

如何观察日食

太阳全食是一个壮观的景象，不容错过。 但是，直视太阳是极其危险的：即使是短暂的曝光也会损坏你的眼睛。 通常，很少有理性的人愿意这样做，因为这很痛苦（也是你妈妈告诉你永远不要做的事情！）。 但是在日食的部分阶段，看一眼的诱惑力很强。 在你屈服之前先想一想。 月球覆盖了太阳的一部分这一事实并不能降低被发现部分的观察危险。 尽管如此，如果你有幸走上阴影之路，还是有完全安全的方法可以追踪日食的路线。

最简单的方法是制作针孔投影机。 拿一块在上面打了一个小（1 毫米）孔的纸板，将其放在轻质表面（例如混凝土人行道或一张白纸）上方几英尺处，这样洞就能 “瞄准” 太阳。 这个洞会生成一张模糊但充足的黯然失色的太阳图像。 或者，如果现在是一年中的正确时机，你可以让树叶之间的微小空间在墙壁或人行道上形成多张针孔图像。 看着数以百计的新月形小太阳在微风中跳舞可能会令人着迷。 厨房漏勺也是一台出色的针孔投影机。

尽管有安全的过滤器可以直接观察太阳，但人们会因为透过不当的滤镜或根本没有滤镜而受到眼睛伤害。 例如，中性密度的摄影滤镜并不安全，因为它们会传输红外辐射，从而对视网膜造成严重损害。 烟熏玻璃、完全暴露的彩色胶片、太阳镜和许多其他自制滤镜同样不安全。 安全过滤器包括焊工的护目镜和专门设计的日食眼镜。

当太阳完全黯然失色时，你当然应该直接观察太阳，即使是用双筒望远镜或望远镜也是如此。 不幸的是，正如我们所讨论的那样，整个阶段太短了。 但是，如果你知道它何时来去去，一定要看看，因为这是一个令人难忘的美丽景象。 而且，尽管古老的民间传说将日食描述为户外活动的危险时期，但日食的部分阶段 —— 只要你不直视太阳 —— 并不比在阳光下露天更危险。

在过去的日食中，不知情的公职人员出于良好的意图行事，造成了不必要的恐慌。 在二十世纪，澳大利亚经历了两次奇妙的全食，在此期间，城镇居民把报纸遮在头上以寻求保护，而学童则畏缩在室内，头在课桌下。 遗憾的是，所有这些人都错过了他们一生中最难忘的经历之一。

2017年8月21日，在美国大陆的大片地区都可以看到太阳全食，来自全国和世界各地的数百万人看到了太阳全食（a）。

图\(\PageIndex{5}\) 2017 日全食和月全食 (a) 2017 年 8 月 21 日黯然失色的太阳，展示了太阳外层大气的非凡细节。 这是短期、中等和长时间曝光的组合，因为任何一次曝光都无法捕捉到太阳所呈现的巨大亮度范围。 (b) 2018年1月31日在加利福尼亚上空看到的月球全食。 月球缓慢移动到地球的阴影中，全食时看起来是红色，红色的阳光在地球大气层中折射，然后慢慢移出阴影。 （来源 a：美国天文学协会/TravelQuest International 里克·菲恩伯格对作品的修改；来源 b：布莱恩·戴对作品的修改。）

图\(\PageIndex{6}\)这张美国地图显示了 2017 年日全食的路径。 2017 年 8 月 21 日，阴影首次越过俄勒冈州波特兰附近的西海岸，穿越美国，并在大约 90 分钟后离开南卡罗来纳州的东海岸，在此过程中行驶了大约 3000 英里。

对于2017年8月的日食，美国邮政局发行了一张特别的纪念邮票，这是有史以来第一张带有 “热变色墨水” 的邮票，当你触摸它时会发生变化。

关键概念和摘要

太阳和月亮的角度大小几乎相同（大约 1/2°）。 当月球在太阳和地球之间移动，将其阴影投射到地球表面的一部分时，就会发生日食。 如果日食是全食，则来自太阳明亮圆盘的光线将被完全阻挡，太阳大气层（日冕）就会进入视野。 日食很少发生在任何一个地方，但它们是自然界中最壮观的景点之一。 月食发生在月球进入地球的阴影时；（如果天气允许）从地球的整个夜间半球都可以看到月食。

脚注

² Eclipse 眼镜在许多天文馆和天文台礼品店有售，还有两家主要的美国制造商：American Paper Optics 和 Rainbow Symphony。

词汇表

月食

月食，其中月球移入地球的阴影；月食只能在满月时发生