日全食平均多少年一次(最近的一次日全食是什么时候)

日全食平均多少年一次(最近的一次日全食是什么时候)

作者 | 飞蠓

先讲个段子暖暖场。

话说十九世纪有个人类学家在丛林里考察,被食人生番捉住了,要被杀掉。他想到当天晚上会发生月食,于是急中生智,说:你们不能杀我,你们杀我要触怒天神的,今天晚上就让月亮消失来警告你们。没想到看押他的生番说:嗨,别傻了,我们就是要在月亮消失的时候杀掉你来祭天的。

自古以来日月食就是吸引人类注意力的天文事件,明晃晃的太阳和月亮突然变暗乃至消失不见,这对人类心理上的震撼是无与伦比的。因此,能够预测日月食,对任何文明都具有非常强烈的吸引力。

现在只要接受过完整的中等教育,理解日、月食的形成原理已经不是什么大问题了。简单说,日食就是地球运动到月亮的影子里,月食就是月球运动到地球的影子里。

日食原理

位于A区的人看到的是日全食,C区看到的是日偏食,B区看到的是日环食

月食原理

月球部分进入地球本影区是月偏食,全部进入本影区的是月全食,完全不进入本影区而只进入半影区时是半影月食

不过中学地理课本和地理老师一般不会讲授日月食什么时候出现,以及出现的规律,更不会提“食限”、“食季”这样的概念(所谓“超纲内容”),这就造成大部分人对日、月食的理解处于一知半解的状态,再加上现代传媒发达,早早就有媒体提醒大家什么时候什么时候有日食或月食了,所以一般人更懒得去想了,反正有吃饱饭没事干的天文学家去算嘛。当然,精确的日月食数据需要天文学家计算,但并不代表预测日月食的知识就是非常高深、常人难以掌握的,不信你就往下看,我保证能让你只用小学算术就可以预测下一次日月食的发生日期。

要想预测日月食,就必须先掌握日月食的出现规律。

每个农历月的初一(月相为“朔”),月亮都会从太阳和地球中间经过,其他日子,月亮离太阳都远得很,因此日食必然发生在农历初一;同样,月食必然发生在月相为“望”的日子(就是满月那天,通常农历十五或十六,偶尔是农历十七)。但显然并不是每个农历月的“朔”日(初一)都会发生日食,也不是每个月的“望”日都会发生月食。如果我们把每个农历月初一时日、月的位置记录在星图上,就能够发现,大部分月份朔日时的月亮要么从太阳上方经过,要么从太阳下方经过,只有日食发生的那些月份,它才会恰好从太阳前方经过。

a图为俯视图,b图为侧视图,当月球从位置2通过太阳和地球之间时就会发生日食,从位置1和3通过时就是平常的“朔”。来源:jeepxie.net

这个现象跟月亮的公转轨道平面与地球的公转轨道平面不一致有关。太阳在天球上的运行轨道叫黄道(嗯,就是黄道吉日那个黄道),现代天文学已经知道,黄道其实是地球公转轨道在天球上的投影;而月亮在天球上也有自己的轨道,叫做白道,白道就是月球绕地公转轨道在天球上的投影。黄道和白道有个夹角,大约是5°9′(在4°57′~5°19′之间变化),同时也有两个交点,分别称为升交点和降交点,合称“黄白交点”。黄白交点在黄道上的位置并不固定,而是逐月向西移动(称作“黄白交点退行”),大约18.6年在黄道上运动一周,平均一年移动19.4°。

黄道白道示意图,来源:互联网

月亮每个农历月都会经过黄白交点两次,但只有当太阳走到黄白交点附近的时候,才有可能发生日食和月食,换句话说,日月食总是扎堆出现的,因此天文学家把每次太阳靠近和离开黄白交点的这段时间称做“食季”(eclipse season),太阳每年要经过两次黄白交点(不考虑黄白交点退行的情况下),所以一年通常有两个食季,这两个食季相隔173.31天(不到半年时间)。

以2020年为例,第一个食季在6月20日前后,这个食季内会发生两次月食(6月5日、7月5日,均为半影月食)和一次日食(6月21日);第二个食季在12月10日前后,这个食季会发生一次月食(11月30日,半影月食)和一次日食(12月14日)。

天文学家通过计算发现,当太阳距离黄白交点约18°(精确值是17°9’)以内的时候,即有可能发生日食,而太阳距离黄白交点约16°(精确值15°9’)以内时,则只要月相为“朔”,当日必定出现日食;同样,太阳距离黄白交点约12°(精确值11°9’)以内时,就有可能发生月食,而太阳距离黄白交点10°以内时,只要遇上“望”月,必然发生月食。这些度数值分别被称为日食食限和月食食限,统称食限(ecliptic limit),之所以有大小变化,跟月球、太阳到地球的距离变化有关。

日食食限示意图

S代表太阳,M代表月亮,太阳沿黄道自西向东运动到S1时就有可能发生日食,一直到走到S2这段时间内都有可能

由于太阳在黄道上每天运动约1°,所以上述日食食限就意味着太阳过黄白交点前后16~18天内,只要遇上农历初一,就会发生日食;而上述月食食限也意味着太阳过黄白交点前后10~12天内,只要遇上满月,也会发生月食。因此同一个食季又可以区分为日食食季和月食食季,日食食季通常有36天,比较长,而月食食季则通常有24天。

掌握了上述理论知识,我们差不多就可以预测日月食会不会发生了,唯一的问题是,我们怎么确定太阳哪天过黄白交点?

精确的太阳过黄白交点时刻,当然需要计算或者观测或者查表。但我们要求不高,所以大可以估算一下。方法也很简单,而且有两个。第一个方法,根据已知的太阳过黄白交点日期,向后推延173.31天,就可以知道下一次太阳过黄白交点的日期,依次类推;第二个方法更直观一些:由于上面提到的黄白交点退行现象,下一年的食季会比今年的提前约19天,据此我们可以粗略估算下年的食季。举个栗子,已知2020年两个食季,分别在6月20日前后和12月10日前后,据此我们可以知道上一年(2019年)的最后一个食季在12月30日前后,而明年(2021年)的食季则会是在明年6月1日前后和11月21日前后。

现在已经没有什么可以阻挡我们预测下一次日月食了。我们只要翻出月历本(手机上的万年历就可以),看看在这些日期前后十几天里有没有农历月初一和十五,就能知道会不会发生日月食。以明年的日月食预测为例,我们已经知道明年第一个食季在6月1日前后,翻开万年历,我们会发现5月26日是农历四月十五,而6月10日为农历五月初一,距离6月1日均在相应食限之内,所以我们推测一定会发生月食和日食;同样,第二个食季为11月21日前后,看万年历可知11月19日为农历十月十五,12月4日为农历十一月初一,距离11月21日也均在对应的食限之内,所以我们也可以断定会发生月食和日食。而事实上也确实如此:明年第一个食季发生一次月食(5月26日,月全食)和一次日食(6月10日,日环食),第二个食季同样一次月食(11月19日,月偏食)一次日食(12月4日,日全食)。

2020年万年历截图

当然,我们用粗略估计的办法只能知道哪天会不会发生日月食,更具体的日月食数据,例如食分、发生时刻、哪里能看到等等,就必须依赖专业人士计算了。但这已经很了不起了,起码穿越回三国时期已经可以当个学科带头人了。

通过我们刚才了解到的这些理论知识,我们还可以分析一下一年能见到多少次日月食。

我们已经知道一个日食食季大约36天,而一个朔望月是29.53天,所以在一个日食食季内月亮最少会经过一次太阳,这就意味着每个食季最少会有一次日食,从而每年至少会有两次日食;而每个月食食季大约24天,在这24天内完全有可能没有满月,那就不会有月食发生,所以很有可能全年没有一次月食。当然,这里说的月食是指月偏食和月全食,不包括半影月食。如果把半影月食也算成月食,那么每个月食食季至少会有一次半影月食,那样的话一年也至少会有两次月食(含半影月食),事实上其他天文科普文章里提到的所谓“全年看不到月食”的年份,例如2002年、2009年、2016年和2020年等,往往这一年会有三到四次半影月食。

2019年1月21日月全食,来源:维基百科

那么一年最多能看到几次日食和月食呢?我们知道,一个回归年是365.2422天,而从一个食季到下下个食季之间所谓的“食年”则只有173.31×2=346.62天,短于一个回归年的长度,这就意味着某一年可能会包含两个完整的食季和一个不完整的食季(例如2020年)或者一个完整的食季和两个不完整的食季(例如1982年)。前者在极端情况下会出现5次日食和2次月食(如1935年和2160年),后者在极端情况下会出现4次日食和3次月食(如1917年和1982年)。当然,更常见的是一年两次日食两次月食。

天文学家统计过,20世纪一共发生过日食228次,月食(不含半影月食)147次;21世纪将发生日食224次,月食(不含半影月食)143次。很显然,在地球上日食发生的次数要高于月食,原因正如上面分析的那样:日食食季长,月食食季短。但人们的感觉却是相反的,通常一个人看到的月食次数要远多于他看到的日食次数。原因有以下几点:第一,日偏食通常不会让人感觉有什么异常,只有日全食才能引起人的注意,一个世纪日全食的发生次数只有70次左右,但月食就不同了,无论月偏食还是月全食,都能引人注目,这样一个世纪人们能看到140多次月食,从频度上就是日全食的两倍;

2020年6月21日日环食覆盖区域动态演示,来源:维基百科

第二,日全食发生时,只有月亮本影锥直接扫过的地域,人们才能看得到黑太阳,这个地域随月亮的运动而呈带状,我们称之为“全食带”,全食带的宽度通常约几十到二三百千米(有时候只有几千米),长度约一万千米,考虑到地球表面大部分是海洋,一次日全食平均大概只能覆盖几十万平方公里陆地,再扣去不适宜人类居住的沙漠等地形所占的面积,能看到全食的地方的面积就更小了。然而月食发生的时候,地球上只要处在夜晚的地方,都能看到月亮缺了一块或者被整个吞没,换言之就是几乎是大半个地球上的居民都能看到月食的发生,所不同的是由于时差的缘故,有的地方是黎明时看到,有的地方是黄昏时看到,有些地方是半夜看到的。

这两个原因导致了人们看到的月食次数要比他们看到的日食次数要多得多。

2017年8月14日日全食

日月食在古代令人恐惧,在现代则让人着迷。不少天文爱好者精心筹划、不惜耗费巨资、不远万里赶赴全食带,只为目睹一次日全食的盛况。当你能亲眼看到月影从远处以约1千米/秒的速度滚滚而来,亲眼看到庞大的太阳在天文学家预测的时刻被月面严丝合缝地覆盖,亲眼看到“黑太阳”四周出现淡淡的、乳白色的日冕……在那一刻,你的心灵会被这大自然创造的奇观所震颤,你会打心眼儿里承认,为此付出的一切都是值得的。读者朋友们,在日月食到来的时候,请放下手头的事情,亲自去感受一次吧!

(完)

附记:题图为2020年6月21日日环食的环食带和偏食带示意图,中国四川泸州、福建厦门和台湾嘉义是比较好的观测地点

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