盡管日全食出現(xiàn)在各種媒體上的頻率并不比某些明星的曝光率低，但對生活在某一固定地點的我們而言，要想一睹它的風采，無疑比見到那些明星困難得多，因為即便在全球范圍內看，日全食每年最多也只上演一兩次，而且那動人心魄的精彩“演出”總是轉瞬即逝，短暫得令人扼腕。 不過，日全食雖然看上去似乎難以捉摸，但由于地球繞太陽和月亮繞地球的公轉運動都有一定的規(guī)律，因此日食和月食的發(fā)生必然也具有規(guī)律性，日全食當然不會例外。早在5000多年前，我們的先輩就發(fā)現(xiàn)了日月食的某些規(guī)律。如果我們仔細查看本雜志附錄中的日食表，就會發(fā)現(xiàn)日食的發(fā)生也是有周期的，其中最著名的就是“沙羅周期”。 沙羅周期 古代的巴比倫人根據(jù)對日食的長期觀測，發(fā)現(xiàn)日食的發(fā)生有一個223個朔望月的周期。這個223個朔望月(相當于18年11.3日或18年10.3日(如果有5個閏年))的周期被稱為“沙羅周期”，“沙羅”(Salo)一詞在拉丁語里就是重復的意思。在這段時間內，太陽、月亮和黃白交點的相對位置在經常改變著，而經過一個沙羅周期之后，太陽、月亮、地球的相對位置又回復到和原來幾乎相同的位置上，因此地球上就會看到和上次相類似的日、月食。注意，沙羅周期并不是指兩次日食之間的平均時間間隔，而是發(fā)生兩次“類似”的日食的時間間隔，例如2002年12月4日大西洋、非洲南部、印度洋、澳洲等部分地區(qū)發(fā)生了一次日全食，全食持續(xù)時間是2分3秒，一個沙羅周期后(2020年12月15日)，太平洋、南美洲南部、大西洋等地的部分地區(qū)發(fā)生日全食，持續(xù)時間為2分9秒，與上次幾乎相同。而從2002年12月至2020年12月這段時間內，還會發(fā)生11次日全食，但是它們與這兩次不屬于一個沙羅周期。平均而言，每個沙羅周期內發(fā)生大約71次日、月食，包括日食43次(全食、環(huán)食、全環(huán)食)，月食28次。 沙羅周期之所以會存在，其根本原因是地球繞太陽、月亮繞地球的運動具有一定的規(guī)律性。在深入理解沙羅周期之前，讓我們先來熟悉幾個天文學上的基本概念。黃道與白道 我們知道，月亮在圍繞地球運動(軌道是個橢圓)，周期為一個月；地球同時又在圍繞太陽運動(軌道也是個橢圓)，周期為一年。天文學上把月亮的繞地球運動軌道面稱為“白道”，把地球繞太陽運動的軌道面稱為“黃道”。白道與黃道并不在同一個平面上，它們之間存在一個交角，平均為5°09′。我們站在地球上觀測，總是以自己為中心，因此在我們看來，黃道也就是太陽一年內在天空中走過的軌跡，白道則是月亮一個月內在天空中走過的軌跡。以地球為天球的中心，黃道與白道其實就是天球上的兩個大圓，它們有兩個交點，稱為“黃白交點”。只有當太陽、月亮都運行到黃白交點的附近時，才有可能發(fā)生遮擋，形成日食或月食。望和朔 “朔”就是月亮位于地球和太陽之間(不一定在同一條直線上)的時刻，通常發(fā)生于農歷的十五；“望”就是地球位于太陽和月亮之間的時刻(不一定在同一條直線上)，通常發(fā)生于農歷的初一。朔望月 月相變化的周期，也就是從朔到朔或從望到望的時間，叫做朔望月。朔望月的長度并不是固定的，有時長達29天19小時多，有時僅為29天6小時多，它的平均長度為29.530588天。交點月 交點月是指月球在天球上連續(xù)兩次經過同一黃白交點的時間間隔。其平均長度為27.21222日。它對于日月食周期推算有重要意義。交點年 太陽從一個黃白交點經過到回到這個交點所需的時間，稱為交點年，其長度為346.62003天。由于黃白交點每月沿著黃道向西退行移約1.6°，所以交點年短于我們平時所說的公歷年(即365天)?，F(xiàn)在，我們來看日食發(fā)生的條件：日食只可能在朔日發(fā)生，而且太陽、月亮必須差不多位于一條直線上，換句話說，發(fā)生日食時，太陽、月亮都必須位于黃白交點附近。如果某天發(fā)生了日食，那天必定是朔日(正月初一左右)，并且太陽、月亮都位于黃白交點附近，例如2008年8月1日將發(fā)生日全食，那天正是農歷初一，黃白交點在巨蟹座，而且太陽、月亮也在巨蟹座。 假設再過n天后，太陽、月亮又運行到了幾乎與此完全相同的位置(即黃白交點、月亮、太陽又都回到巨蟹座)，那么在地球上看來必將發(fā)生與此類似的日食。顯然，這個n天應該是交點月、交點年、朔望月的長度的公倍數(shù)，經過計算可以發(fā)現(xiàn)223個朔望月的長度與242個交點月、19個交點年的長度幾乎相等：223個朔望月＝223×29.530588天＝6585.3211天242個交點月＝242×27.21222天＝6585.3572天19個交點年＝19×346.62003天＝6585.7806天 也就是說，n的最小值是6585.3211天左右，其實就是一個沙羅周期。這就是為什么會存在沙羅周期的緣由，現(xiàn)在我們不難理解為什么每經歷一個沙羅周期，就會發(fā)生類似的日食(或月食)了，不過需要注意的是，這兩次日食的見食地點并不相同：2008年8月1日的日全食(持續(xù)時間2分27秒)發(fā)生在加拿大、北冰洋、俄羅斯和中國西北部；2026年8月13日的全食(持續(xù)時間為2分18秒)，見食地點變成了北冰洋、格陵蘭、大西洋、歐洲極西部地區(qū)，這又是什么緣故呢？ |
相隔一個沙羅周期的兩次日食，不僅見食地點并不相同，而且日食類型也不一定一樣。這有兩方面的原因。
其一，223個朔望月(6585.3211天)和19個交點年(即食年，6585.7806天)的長度并不完全相等，而是相差了0.4605天。因此第二次日食發(fā)生時，太陽在黃道上的位置和第一次并不相同，0.4605的時間里它大約運動了28′(記得太陽在黃道上自西向東運動，每年運行一周)，也就是說此時的太陽比第一次日食時偏西28′，結果導致月影掃在地球上的位置和第一次相比也有了變化，將向北或向南移動(取決于第一次日食發(fā)生在兩個黃白交點的哪一點)。每經歷一個沙羅周期，太陽就偏西27.2′，同時月影就向南或向北退行一些。直至太陽超出食限、月影離開地球，這個周期性的系列日食(稱為一個沙羅食系)就結束了，之后即使再過一個沙羅周期也不會有類似的日食發(fā)生了。目前共有12個不同的沙羅食系同時進行著，2009年將在我國境內上演的全食時間大約為7.5分鐘的日食，就屬于其中一個食系，分別曾在1937、1955、1973、1991出現(xiàn)過。而2008年8月1日的日食，屬于另一個不同的沙羅食系，曾在1954、1972、1990年出現(xiàn)過。當然它們的見食地點都已不同了。
其二，每過一個沙羅周期，日食的見食地點除了上述的南北移動之外，還有東西方向(即經度)的移動。這是因為一個沙羅周期的223個朔望月是6585.3211天，不是整數(shù)。舉例來說，假設有一次甲地發(fā)生了日食，經過一個沙羅周期之后，將發(fā)生類似的日食，但是此時地球轉動了6585.3211圈，這次的見食地點就不再是甲地，而是與它相距0.3211個地球周長而且位置偏西的乙地(因為地球自轉方向是自西向東)，易于算出乙地的經度要比甲地偏西120度左右。再過一個沙羅周期，見食地又將西移120度。所以甲地要想再次看到類似的日食(也就是這個沙羅食系內的日食)，至少需在三個沙羅周期之后(54年34天)。但是由于月影在每個沙羅周期還有南北移動，三個沙羅周期后日食時的相對位置事實上不會返回甲地，必須經過300～400年左右，甲地才能再次看到日食。
需要指出的是，沙羅周期只是一個非常逼近于自然規(guī)律的經驗周期，但在較長久的時間內，可能會出現(xiàn)與之不符的情況。例如有些沙羅食系中應是全食，但實際上卻可能只發(fā)生偏食。從第一點也可以看出，每個沙羅食系都以一組見于極區(qū)的日偏食開始，以后食分逐漸增加，經歷9～16個沙羅周期后變成中緯度地帶的中心食，再經過42～48個周期后，過赤道向另一極區(qū)移動，食分減少，變?yōu)槿掌常纸洑v9～16個周期后，離開極區(qū)，這一食系宣告終結。一個食系的延續(xù)長度介于70～85個沙羅周期之間，即1244年至1514.5年之間。
在長期的日食預告上，人們常常采用“大沙羅周期”，這是一種6444個朔望月(190295.109)的周期。每個大沙羅周期的見食地點的緯度都很接近。例如1406年6月16日發(fā)生日全食，食帶經過英國、比利時，到1927年6月29日，發(fā)生的全食再次經過英國、北歐。大沙羅周期還有一說是22325個朔望月(659270.38天，約1805年)，這一周期使得太陽、月亮、地球的位置和視直徑都極為接近，會在同一地點發(fā)生差不多完全相同的日食。
其他交食周期
除了沙羅周期，還有兩種比較知名的周期。默冬周期 默冬周期以235個朔望月為一個周期，約合19個回歸年，所以又名“默冬章”(古人以19年為1章)。235朔望月＝6939.6882天，19回歸年＝6939.6018天，二者相差只有0.0864天。紐康周期 紐康周期以358個朔望月為周期(29年少20天)。358朔望月＝388.50011交點月，因此在一個黃白交點處發(fā)生日食后，經過358個朔望月后將在另一個黃白交點再次發(fā)生日食這是因為它們的差為0.50011個交點月，從而使得第二次日食的朔日正好發(fā)生于另一個黃白交點附近)。0.00011個交點月的時間差使第二次日食發(fā)生時，月亮相對于交點向東移動0.0411°，780個周期后，累計的移動等于兩個(平均)日食限(約34°)，整個食系就宣告結束。三統(tǒng)周期 我國是世界上較早發(fā)現(xiàn)日食周期的國家之一。西漢末年劉歆總結出一種周期，認為135個月中要發(fā)生23次日食，稱為“三統(tǒng)周期”。大約從公元三世紀起我國就能預報日食初虧和復圓的方向，到了唐代，對于日食的預報已經比較準確了。
由于黃白交點每年向西退行約20°，一個交點年(也叫食年)只有346.2600日，比回歸年短約19日。因此，可能出現(xiàn)下列兩種情形：第一，一年中有兩個完整的食季和一個不完整的食季。若第一個食季剛好在年初開始，除在年中遇到第三個食季外，在同年的十二月中旬，還可能迎來第三個食季。在這種情形下，這一年有可能發(fā)生五次日食。第二種情形是，一年中有一個完整的食季(年中)和二個不完整的食季(年初和年終)。在這種情形下，有可能發(fā)生四次日食。以前一種情形為例，假如第一個食季開始于1月1日，又恰恰是朔日并且發(fā)生日食。在以后的346日(一個食年)中，在最有利的情形下，兩個食季有可能發(fā)生四次日食。第三個食季開始于12月12日前后，由于12個朔望月為354.36日，比食年約長8日，即要到12月20日前后，才能遇上第十三個朔日，方有可能發(fā)生額外的、也是這一年的最后一次日食。剩下的日期已不足半個朔望月，即使還能發(fā)生日食，也要等到第二年的一月上旬。這種一年5次日食的情形十分罕見，曾在1935年發(fā)生過，而下一次則要等到2206年了。一生能見到多少次日全食
盡管一年內至少發(fā)生兩次日食，在人的一生中(75年)，地球上將會發(fā)生大約180次日食，其中中心食(日全食和日環(huán)食)大約有120次。但由于全食帶非常狹窄，我們看到日食的機會其實是非常難得的。典型的日全食帶長約9700千米、寬約160千米，所覆蓋的地表面積約為155萬平方千米，只占地球表面面積(51000萬平方千米)的1/305，根據(jù)統(tǒng)計日全食大約平均1.5年才出現(xiàn)一次，因此如果我們總是待在一處而不做任何旅行，大概要等450年才能看到一次日全食！所以我們也不難理解，為什么會有那么多日食觀測者每年都追隨著全食奇觀的步伐而四處奔波了。
2008年8月1日、2009年7月22日，我國境內連續(xù)出現(xiàn)兩次日全食，2010年1月15日、2012年5月21日，又將出現(xiàn)兩次日環(huán)食，如此高頻率的中心食在我國歷史上可謂幾百年不遇，尤其是2009年7月的全食，無論見食地點還是全食持續(xù)時間都對我國觀測者極為有利。在這里，衷心祝愿所有讀者都能親眼目睹日全食的壯麗豐姿。(本文摘編自《天文愛好者》雜志增刊《日食大觀》，詳細內容見雜志)
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