日食——既寻常又稀有的奇观

2017-08-17作者:卢昌海, 著编辑:茹鑫

美国科幻作家阿西莫夫(Isaac Asimov,1920—1992)曾经写过一个著名的科幻故事,叫做《黄昏》(Night fall)。在这个被许多读者推举为有史以来最优秀科幻作品之一的名篇中,阿西莫夫虚构了一个由六个太阳组成的多星系统,在那里的一个有“人”栖居的行星上,几乎任何时候都至少有一个太阳悬在空中,夜幕每隔2049年才会降临一次。每当那一时刻来临,地平线上硕果仅存的一个太阳会遭遇“日全食”(total eclipse),传说中能夺人魂魄、让人丧失理智,进而毁灭整个文明世界的星星会出现在黑暗天空里。所有人都在短时间内陷入巨大的恐慌和骚乱之中,周而复始地亲手将星星毁灭文明世界的传说变为现实。


我们很幸运,没有生活在那样的多星系统中。只有一个太阳的我们早已习惯了日夜的更替,星星在我们眼里非但不是毁灭文明世界的恐怖象征,反而是一种魅力无穷的美景(从这个意义上讲,它倒也能夺人魂魄)。不过,即便对于我们来说,如果太阳在原本应该出现的时候突然消失,或其圆面出现破缺,依然是一件非同小可的事情。在这种被称为日食(solar eclipse)的自然现象中,最扣人心弦就是阿西莫夫故事中提到的日全食。当太阳即将被全部遮盖时,月球的巨大阴影自西向东掠过地面,夜幕骤然降临,星星重新闪耀,有时还能看见美轮美奂的贝利珠(Baily's bead)和壮丽的日冕(solar corona)。这时候,有些人将会感到颤栗——不是因为害怕,而是由于气温的骤降。在日全食的短暂过程中,气温会有相当明显的降低(比如1878年7月29日的日全食期间,美国丹佛市的气温从酷热的46°C骤降到28°C)。这种笼罩整个天空和大地的大自然的华丽演出,对亲临者来说往往是令人陶醉和毕生难忘的。



不过这只是现代。在古代,日食的出现可不是什么轻松的事情(虽然有时也能导致好结果)。古希腊历史学家希罗多德(Herodotus,公元前484—前425)曾经记载过公元前六世纪米底斯(Medians)与利底亚(Lydians)两族交战时,因遭遇日食致使双方惊恐万分、终止干戈的事情。那样的事情在历史上发生过多次,甚至直到20世纪60年代,柬埔寨内阁首相朗诺(Lon Nol,1913—1985)的军队还在一次战斗中因遭遇日全食而惊慌失措。


在对日食成因缺乏了解的古代,人们对日食有过许多荒诞不经的猜测。我们熟悉的“天狗吃太阳”就是其中之一。为了阻止天狗的“暴行”,民众常常敲锣打鼓、鸣金放炮,甚至连九五之尊的皇帝也往往要吃素斋、避正殿,诚惶诚恐。类似于“天狗吃太阳”的传说在其他古文明也有,只是所涉及的猛兽不尽相同,吞吃太阳的原因五花八门而已。最搞笑的或许是印度的一种传说,该传说认为太阳常常向某个野蛮部落的成员借钱,却借而不还。对方一怒之下就会吃掉它(但吃完后又吐出来,看来还是惦记着还钱的事情)。这种猛兽(或猛人)吃太阳的说法并不是古人对日食成因的唯一猜测。比这种“猛兽说”更有情趣的是所谓的“夫妻说”。那种说法也是形形色色,比如在某日耳曼传说中,月亮和太阳是一对不和睦的夫妻,而且太阳是妻子,当月亮偶尔去看望太阳时就会出现日食,但它们和睦不了几分钟就又会闹翻(幸亏如此),于是太阳就会重新出现。当然,也有些传说不那么“诬蔑”太阳和月亮的夫妻关系,比如在北美某印第安部落的传说中,太阳和月亮是恩爱夫妻,日食的成因——猜得到算你有本事——是太阳的手臂上抱着他们的孩子!



这些荒诞不经的传说,以及视日食为恐怖天象的年代对于生活在现代文明社会中的人来说已经很遥远了。对现代人来说,有幸观赏到日食,非但没什么恐怖,反而是令人羡艳的经历。有些天文爱好者甚至不惜破费,千里迢迢地赶往日食带观赏日食。有些天文学家更是甘当现代“夸父”,乘坐喷气式飞机追逐日食,目的就是让这一天象的持续时间尽可能延长。我们早已知道,日食并不神秘,它只不过是月球偶尔跑到地球与太阳之间,挡住了阳光而已。


明白了这个浅显的道理,我们就可以冒充天文学家来分析一下日食的规律。我们知道,月球每个“月”都会绕地球转一圈。既然是转一圈,那就总会经过太阳的方向。这么推算起来,日食似乎每个月都应该发生一次,每个世纪则应该有1 238次。(请读者想一想,为什么不是1 200次?)但事实上,在已经过去的20世纪中,总共只发生过228次日食。在21世纪中,也将只会有224次日食,只占1 238次的18%左右。


看来天文学家不是那么容易冒充的,我们首先得搞明白:那另外82%的日食哪里去了?


答案是:被地球漏掉了。要解释这一点,我们需要对地球与月球的公转轨道特点有一个简单了解。这其中对日食来说最重要的特点,是地球与月球的公转轨道并不在同一平面上,而是有一个平均为5.14°的夹角。由于这个夹角的存在,即使月球位于地球和太阳之间,它相对于地球公转轨道平面来说,也往往不是偏上,就是偏下,它的影子多数时候只能投射在清冷的虚空之中,而无法触及地球,从而无法形成日食。



那么什么时候才会有日食呢?显然只有当月球不仅位于地球和太阳之间,而且还恰好离地球公转轨道平面不远时。由于整个月球公转轨道(作为一个椭圆)与地球公转轨道平面的交点只有两个,因此月球只有运动到地球和太阳之间,并且又恰好在这两个交点之一的附近时,才能形成日食。在天文学上,这两个交点有自己的名字,视月球自南向北还是自北向南穿越地球公转平面而定,分别被称为升交点(ascending node)和降交点(descending node),两者的连线则被称为交点线(line of nodes)。用这种术语,形成日食的条件也可以表述为:月球运动到地球和太阳之间,并且交点线与太阳方向几乎重合(这保证了月球在两个交点之一的附近)。交点线与太阳方向几乎重合的情形在整个地球公转周期上只会出现在两个时段里,因此日食的发生并非每月一次,而似乎是每年只有两次。


如果每年有两次日食的话,一个世纪就是200次。这与前面提到的次数接近了不少,但仍有偏差,可见在日食的频率中还隐藏了别的玄机。这玄机之一就在于月球的公转轨道并不是固定不变的。主要受来自太阳的引力摄动影响,月球的公转轨道平面在不断改变着方位,由此导致的结果是交点线会缓慢转动,这种转动的方向与地球公转的方向相反,周期约为18.61年,称为交点的退行(regression of nodes)。如果不存在交点的退行,交点线将每隔半年与太阳方向重合一次,日食将会有规律地出现在每年年历的固定时段中,它在历史上的神秘感也将褪去不少。但由于存在交点的退行,日食的出现时间就变得有些扑朔迷离了。因为交点线离开太阳方向后,无需经过半年,就会由于自己的转动而提前与太阳方向再次重合。简单的计算表明,这之间的间隔只有173.3天(读者可以利用交点线的转动周期为18.61年这一信息自行计算一下)。两次这样的间隔则是346.6天,这称为交点年或食年(eclipse year)。这个时间单位在分析日食时有着重要作用。


内容来源:书问

作者卢昌海
出版清华大学出版社
定价32元
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