天体的影子

艾萨克·阿西莫夫 1941 年写了一本题为《黄昏》的短篇小说，开创了传奇故事作品的先河。后来美国的科学幻想小说家们将其评为当时最优秀的科学短篇小说。《黄昏》讲的是绕 6 个太阳运行的名叫“拉加斯”的一颗行星。根据天体力学，空中至少总有一个太阳在照耀，应该不会出现黑暗，不会有夜晚，也不会出现星星。不堪设想的事还是发生了：夜晚还是来临了，星星还是出现了。拉加斯上的人真的快疯了。为什么太阳当空还会出现黑暗呢？

中午时分黑暗降临

原因是出现了日食，日食不仅出现在拉加斯星球上，当然也在地球上出现。很简单，当月球运动到地球和太阳之间时，遮住了太阳，在地球上投下了月球的影子（见图 1），于是就出现日食（记住，月球与太阳的区别是它本身并不发光。它是一面大镜子，将照射在月球表面上的阳光反射回去）。

（本篇所列插图的大小和距离都不按比例。）

从图中可见，地球上月球盘形阴影由本影和半影两部分组成。

半影是部分阴影，太阳表面的一些阳光进入了半影。本影则是完全阴影区，没有任何阳光进入。地球上位于月球半影区的地区就出现日偏食现象。观测者看到太阳似乎被削去了一块。地球上位于月球本影区的地区将出现日全食。太阳表面完全被月球覆盖。只能在月球的暗圆盘周围看到一个光晕，那是太阳大气层发出的光亮。

日食现象并不罕见，不会像拉加斯星球上那样稀罕。事实上，每年都将出现 2 至 5 次日食，其中有 3 次在地球某地出现（记住，地球上只要有小部分地区能看到日全食，便能将这一事件列为日全食。地球大部分地区只能看到日偏食，或根本看不到日食）。按理说，月球绕地球公转，每当运行到地球和太阳之间时都应该出现日食现象，就是说一个月应出现一次日食。

为了明白这个道理，我们先谈谈日全食。抬头可看到，月球正好位于太阳和地球之间（月球与太阳和地球排成一直线时，叫朔，即新月。只有在新月期间才能出现日食）。月球绕地球逆时针公转。每隔 29.5 天，为什

么不出现一次日食现象呢？或者说实际上每隔 29.5 天为什么不出现日全食呢？

三个星体正好在一直线上

答案就是每隔 29.5 天，或每次出现新月时，月亮实际上并非在太阳和地球之间。尽管抬头看去月球与太阳和地球成一直线；从侧面看，三者通常不在一直线上，月球所在位置或高或低。因此，月球遮不住太阳，就不会出现日食。有时，三个天体部分地成一直线，于是就出现日偏食现象。相对于地球绕太阳公转的轨道面言，月球绕地球公转的轨道略有倾斜

（一般约为 5 度），每次出现新月，月球都可能与地球和太阳成一直线。月球所在位置大多高于或低于地球轨道（见图 2）。只有当月球正好穿过地球轨道平面时，才会出现日食。而且这时月球必须是新月。要同时满足空间和时间两方面要求，因而日食根本不可能每月出现一次。

事实上，日全食的次数比天体力学理论的结果还要少。月球与太阳和地球可以完全成一直线而且不能完全遮住太阳。这样一来，我们希望能看到日全食的地方只出现了日偏食。

星体大小

星体大小是决定性的因素。要让月球完全遮住太阳，月球至少要有空中的太阳那样大。从空中看起来两个天体一样大，纯属偶然。

当然，从空中看去一样大并不是说两者要大小一样。太阳直径比月球直径约大 400 倍，但太阳与地球间距也是地球与月球间距的 400 倍。因而， 看上去两者大小相同，才有可能出现日食。就日食（以及其他很多现象） 来说，外观至关重要，外观大小以物体在空中所在度数，即角度来计量。太阳和月球的直径分别约占半度，与伸臂可及之处手里拿着让孩子服用的阿斯匹林药片大体一样大小。拇指的厚度约为两度，伸臂可及之处握拳的厚度约为 8 度到 10 度。大约有 4 个月亮可从你拇指的厚度中穿过。太阳和月亮的角度相同。

大体情况就是这样。但与其他时刻相比，有时月球与地球间的间距稍大些，有时太阳与地球间的间距会近一点（您信也好，不信也罢，冬季与春季相比太阳与地球之间的间距近了 300 万英里）。这种情况下，月亮看上去比太阳小一些，即使地球、月球和太阳完全在一直线上，月亮也不能完全遮住太阳。在月亮的暗圆盘周围会留有很弱的太阳光环。这种日食叫日环食，源自希腊词 annulus，其意思是“环”。图 3 为日环食的示意图。由于地球表面不都在月球本影中，日环食一般都为偏日环食。1994 年 5 月10 日美国发生过一次颇为壮观的日环食。从德克萨斯到缅因州都能看到这

次环形食，火红的光环持续出现了 6 分多钟。

在各种日食中，让人最激动的无疑是日全食。闭上眼睛，发挥想象力， 让我们共同经历一次壮观的日全食。

日全食通常如图上所示从月球和太阳的初亏开始（初亏几乎都在太阳的顶部或底部）。随着日食的发展，月球继续侵蚀太阳。太阳约有一半被遮住时，虽然显然还是白天，但天色明显变暗。太阳变成越来越小的娥眉月，天色也逐步变暗。（太阳在变小？！）约 90％的太阳被遮住时，天昏地暗给人留下很深的印象（已不再是“天气多云”）。随着黑夜降临，自然界将会发生某些变化，如蝙蝠会出来飞行，花朵也会闭拢。

在将太阳完全遮挡前不到一分钟，太阳缩成一条缝，只有一股环状光线照在月球前缘上。在最后几丝光线照在月球上分布的环形山和月谷时， 这些环状光线被分成一些光点。这个光的项链叫“倍里珠”，以 19 世纪描

述这一现象的天文学家倍里命名。在日全食出现前 5 秒钟，项链变成嵌在阳光照射月球深谷光晕中的一颗宝石。您将亲眼看到金刚石环。

这时出现的日全食叫“食既”。果真是夜间了。如果天气晴朗，空中会出现星星。太阳的外层大气，即日冕本身会发出幽灵似的柔光。这类柔光平常都被太阳火红的圆盘光辉所掩盖，而现在像轻轻打开开关一样使它突然显现了出来。这类乳白色辉光是日全食的一大奇观。在月亮边缘周围能看到太阳的活动：从太阳表面和低层大气骤然的高温气体发出的火舌。这一情景美不胜收。

不久，日全食就结束了。太阳开始露出小脸，通常也从图中所列的右侧开始（这可能在太阳的顶部或下部）。天文学家将其称为“生芒”。在日全食之前发生的所有事件现在以相反的顺序再现一次，日冕辉光消逝， 接着出现金刚石环、倍里珠，星星也躲了起来，又恢复白天。日食的结束又称“复圆”。

日全食最多能持续 7 分 40 秒，平均持续 2 分 30 秒。从“初亏”到“复

圆”的日食全过程持续 3 小时。

出现频率

如前所述，日食并不罕见。但只能在地球上少数地方才能看到日食， 尤其是日全食。随着地球自转，月球本影在地球上留下轨迹，其宽度在赤道附近绝不超过 167 英里（269 公里。在地球较高的纬度上留下的影子较模糊且有点扩散）。地球 95％以上的表面都在日全食的轨迹外，不可能观测到日全食。

尽管日全食并不少见，在地球上具体的地方还是很少见的。例如，最近一次能在美国大陆本土看到的日全食是 1979 年2 月26 日发生的。在2017 年之前，即从 1979 年算起 38 年之内，在美国大陆本土不会再出现日全食。

日全食在同一国家或同一大陆的同一地方重复出现的机会就更少。每 350 年才能重现一次。

1991 年 7 月 11 日发生的日全食持续时间长，而且观测效果很好。在

夏威夷、墨西哥和中美洲等地区都观测到日全食，持续了 6 分 58 秒。上一

次日食发生在 1955 年，持续时间与 1991 年这次的持续时间相当，还稍长

些。下一次将在 2132 年，即从 1991 年算起的 141 年后出现。表 1 列出 1991

到 2000 年 10 年间出现的日食。

表 1 十年间的日食

除了日偏食、日环食和日全食外还有第四种日食：即全环食（在 1991

年到 2000 年之间不会发生。但在今后的几十年可能出现，一次在 2005 年

另一次在 2013 年）。在这类日食中，月球完全遮住位于日食轨迹中心的太阳。该中心的外面，由于地球有表面曲率，月亮看上去比太阳小，产生了日环食（在简单的日全食中，地球曲率不会使得月亮看上去小于太阳，就是说，只有日全食而没有日环食。当然所有发生在投影外层的半影区的日食都是日偏食。见图 1 和图 3）。在不同的日食中，日偏食最常见，而全环食很少见。

光致盲

务必注意，在尚未采取诸如规定的太阳滤光器等保护眼睛的正确措施之前不要观察日食（茶色玻璃、X 光胶片和太阳镜都不顶用）。观察仅持续 30 秒钟的日偏食也会造成眼睛永久性损害，轻者在所见景物上长期都叠

印太阳的印象（据称，1970 年美国发生日食期间，眼睛受伤的事例有 140

起）。若用双筒望远镜或望远镜观察日食，那么用不了 1 秒钟，眼睛就会受伤。主要原因是红外辐射烧伤了眼睛的视网膜。视网膜中没有痛觉感受器，因而在没有丝毫痛苦和警觉的情况下，出现了眼睛失明。日食期间，

直接观察太阳唯一安全的时刻是出现日全食的时刻。

太阳在任何时刻，包括发生日食时都产生红外线，因此您很想知道为什么不发生日食时，太阳就不损伤视网膜呢？其实，如果观察太阳的时间过长，也会伤害眼睛。然而，太阳十分耀眼，因而持续观察太阳的时间都不到 1 秒。遇上多云天气，就不用担心：云挡住了红外线，保护眼睛不受伤害。

地球的阴影

就像太阳那样，月球也能藏起来，这种现象叫月食（见图 4）。日食和月食都是这些星球间遮蔽的结果，日食是在地球上留下的月球的影子，月食是在月球上留下的地球的影子，这一点确实是两者的相似点。出现日食时，月球将太阳遮住，因而看不到太阳。发生月食时，实际上并未将月球遮住，出现月食是因为未发生光线的反射。（记住：月球是一面大镜子。）就像日食那样，月食可以有月全食和月偏食。与发生日食时不一样，

半影此时不起作用（从技术上说，在月球只进入地球半影区时，半影食确实存在，但在地球上很难看到，不值得去研究）。如果月球完全进入地球本影区中，会出现月全食。如果月球只是部分进入地球本影区，则将出现月偏食。和日全食不同的是，月全食不是局部的。月全食只是在已进入夜间的地球一侧出现。

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如图 4 所示，只有在地球位于太阳和月球之间时，这时为满月位相，

才出现月全食。看来月球每隔 29.5 天绕地球公转到满月位置时，都应当出

现月全食。但月全食不会这样频繁，也正因为这样，才不会每隔 29.5 天出现一次日食。月球和地球的轨道平面不同，满月时月球、地球与太阳实际不在一直线上。

看来月食比日食常见，因为能观察月食的地区多得多。地球上任何地方能见到月食的次数应远多于能见到日食的次数。但是实际上，月食的出现次数略少于日食。每年平均两次月全食，高于日食总数字的一半。表 2

列出 1991—2000 年的 10 年间出现的月食。

表 2 1991 — 2000 年 10 年间的月食

月食经历的基本阶段与日食相同，但节奏慢得多。由于本影的直径接近月球直径的 3 倍，月全食可持续 2 小时。月全食全过程可延续 4 小时。当然不会出现倍里珠、金刚石环和日冕辉光，而且星星已经出现。但月食的美景颇为独特且依稀可见。发生月全食时，月球并非完全暗淡和完全看不见，这真出人意料。地球的大气层将有些阳光，尤其是红色和橙色波长的光，向地球的本影区折射，在本影区中，光从月球表面反射，从而月球表面呈暗淡的紫铜色。

对月食进行观察，不会有损健康。

日食和月食确实是天体中最壮观的两大景象，是自然界自我表现的一个例子。它们不仅可爱，而且让人长见识。公元前 450 年，希腊观察家阿那克萨哥拉就推断由于发生月食时，留在月球上的地球的影子呈圆形，因而肯定地球是球形的。这比哥伦布所作的论断还早 1942 年。人们还利用日食来测量日冕发出的光和热。1919 年，甚至有人用它来证明爱因斯坦的相对论（见《广义相对论》）。

（李明 译）