蘇明俊
(高雄市天文學(xué)會(huì)理事長(zhǎng))
今年(2006年)十一月9日的清晨，太陽(yáng)一出來(lái)的時(shí)候，臉上將多了一個(gè)小圓黑點(diǎn)，那是水星經(jīng)過(guò)太陽(yáng)的面前所造成的，我們稱它「水星凌日」，是一種很特別的天象。本文主要在介紹水星凌日的現(xiàn)象以及觀測(cè)的方法，但之前先介紹一下有趣的水星。
第一節(jié) 水星簡(jiǎn)介
水星的特色就是繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的速率特別快，大約0.2409年(約88個(gè)地球天)就可以繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一圈，因此在羅馬神話中被稱為上帝的使者，他的形象通常鞋子後面會(huì)有一雙翅膀，代表行動(dòng)迅速，掌管商業(yè)、旅行、與偷竊之神，相當(dāng)於希臘神話中的賀密士(Hermes)。
水星還有「度日如兩年」以及「軌道進(jìn)動(dòng)」的特殊現(xiàn)象；因?yàn)榻咏?yáng)，又沒(méi)有大氣層，表面的冷熱溫差大到600度(最高溫427℃、最低溫-173℃)也很特別。
一、水星的表面與形成過(guò)程
一直到水手十號(hào)(Mariner 10)太空船探測(cè)水星後，我們才對(duì)水星有稍微的了解，因?yàn)閺牡厍蛴猛h(yuǎn)鏡觀察水星，它與太陽(yáng)的大距(maximum elongation)最多才28度，因此只能在黎明時(shí)分或者日落時(shí)分才有可能看見(jiàn)，看見(jiàn)的時(shí)候也總是在很低的地平線上方，光線必須透過(guò)十倍的地球大氣層厚度，造成觀測(cè)上的困難。水手十號(hào)於1973年11月3日發(fā)射升空，1974年3月29日低空飛越水星表面，距離水星表面只有705公里，1974年九月21日第二次飛越水星表面，1975年3月16日第三次，共拍攝了2700張照片，含蓋了水星表面的45%。
水手十號(hào)傳回來(lái)的照片顯示水星擁有類似月球的表面，表面佈滿了隕石坑，包含巨大且多重環(huán)形的盆地，還有許多巖漿流的痕跡，隕石坑的大小從100公尺(也就是水熟十號(hào)拍到照片中最小的解析度)到1300公里，這是不同時(shí)期造成的，有一些是年輕並且邊緣明顯，也有一些有輻射亮線的延伸，隨著被隕石轟炸而邊緣逐漸變得柔和。Hartmann 和Kuiper (1962)定義盆地(basin)為：「具有特殊同心環(huán)及放射狀的特徵，既大且圓的窪地」，其他人認(rèn)為任何隕石坑都比200公里大的盆地還大。水星最大的隕石坑是Caloris 盆地，直徑1300公里，可能是由一個(gè)超過(guò)100公里的隕石撞擊所造成的，這個(gè)撞擊造成同心圓的環(huán)形山高3公里，噴出物的範(fàn)圍約600到800公里寬(木星的衛(wèi)星Callisto上也有類似的環(huán)形山Valhalla region)，地震波以Caloris為中心一直傳到水星的另一邊，並且形成了一個(gè)雜亂無(wú)章的地形，但在隕石坑被撞擊之後，已有一部份的地方已經(jīng)被巖漿填滿了。
水星表面到處可以看見(jiàn)大弧度的懸崖或分裂的陡坡，顯然是水星冷卻時(shí)形成許多皺紋的水星表面，並且收縮了幾公里的大小，如此的收縮產(chǎn)生了很多幾公里高、好幾百公里長(zhǎng)的陡坡。
大部分的水星表面是平原，佈滿了又老又沉重的隕石坑，但是有一些平原就沒(méi)有什麼隕石坑，科學(xué)家將這些平原分類為坑間平原(intercrater plains)及平坦平原(smooth plains)，坑間平原很少隕石坑，並且直徑都小於15公里，這些平原可能是因?yàn)閹r漿流填滿了原有的古地形；在Caloris平原附近有許多平坦平原，因?yàn)槟贻p還沒(méi)有很多隕石坑，在某些地區(qū)的隕石坑中可以看見(jiàn)填滿的巖漿。
水星約在45億年前形成，整個(gè)形成的歷史很像地球，當(dāng)時(shí)它們蒐集物質(zhì)與來(lái)自星雲(yún)殘骸的時(shí)候，就像一次猛烈的行星轟炸，形成初期，水星的密集金屬核心以及矽酸鹽地殼都有所差異，在強(qiáng)烈的轟炸期之後，巖漿流過(guò)表面並覆蓋老地層，此時(shí)大部分的殘骸已經(jīng)被掃除，水星進(jìn)入較輕的轟炸期，在這一期間，坑間平原(intercrater plains)形成了，接著，水星冷卻了。它的核心收縮依序打破了地殼，並且產(chǎn)生了突起的分裂陡坡；在第三階段，巖漿淹沒(méi)低漥的地方，形成了平坦的平原(smooth plains)；第四階段期間，微小隕石的轟炸形成了滿是灰塵的表面，所謂的表土(regolith)。少數(shù)較大的隕石撞擊表面，產(chǎn)生隕石坑的輻射狀條紋，除了偶而的隕石撞擊，水星的表面不再活動(dòng)，相同的面貌維持了好幾百萬(wàn)年。
二、水星上「度日如兩年」
如果你住在水星上，一天之中就有兩次過(guò)年！
□水星公轉(zhuǎn)速率最快！
水星是離太陽(yáng)最近的行星，運(yùn)動(dòng)的速率當(dāng)然是九大行星中最快的。但請(qǐng)注意，水星跑得最快，並不代表它受到太陽(yáng)的萬(wàn)有引力最大。九大行星中受到太陽(yáng)萬(wàn)有引力最大的行星，並不是水星，而是木星，主要是因?yàn)槟拘堑馁|(zhì)量太大了，表一顯示九大行星受到太陽(yáng)的萬(wàn)有引力大小關(guān)係，我們可以看到木星受到太陽(yáng)的引力是地球的11.7倍，水星則只有地球的0.367倍而已。那為什麼水星會(huì)繞轉(zhuǎn)最快呢？根據(jù)刻卜勒第三定律，行星繞轉(zhuǎn)太陽(yáng)的速率(或週期)只和行星離太陽(yáng)的距離(公轉(zhuǎn)軌道半徑)有關(guān)，而與行星的質(zhì)量或萬(wàn)有引力沒(méi)有關(guān)係。水星為了不被太陽(yáng)吸引而墜落太陽(yáng)表面，就必須將太陽(yáng)的引力轉(zhuǎn)化為圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，一直繞著太陽(yáng)運(yùn)行。
表一：九大行星受太陽(yáng)引力大小比較表
行星
行星質(zhì)量(以地球?yàn)閱挝?
行星平均軌道半徑(天文單位)
行星受太陽(yáng)的引力(以地球?yàn)閱挝?
水星
0.055
0.3871
0.367
金星
0.815
0.7233
1.558
地球
1.000
1.0000
1.000
火星
0.107
1.5237
0.046
木星
317.832
5.2026
11.742
土星
95.16
9.5549
1.042
天王星
14.54
19.2184
0.039
海王星
17.15
30.1104
0.019
冥王星
0.0023
39.5403
0.00000147
水星軌道的離心率非常地大(e=0.2)，是一個(gè)很長(zhǎng)的橢圓形，在近日點(diǎn)時(shí)距離太陽(yáng)4600萬(wàn)公里，而在遠(yuǎn)日點(diǎn)時(shí)，卻有7000萬(wàn)公里。
□水星的自轉(zhuǎn)很慢！
1965年，Pettengill和Dyce利用雷達(dá)觀測(cè)求得水星的自轉(zhuǎn)週期是59天(誤差5天)，1971年，Goldstein也利用雷達(dá)將週期求得更為精確是58.65天(誤差0.25天)，到了水手十號(hào)太空船探測(cè)之後，週期就更為精確了，是58.646天(誤差0.005天)。很早以前的水星，它的自轉(zhuǎn)週期可能很快，科學(xué)家推測(cè)它當(dāng)時(shí)的自轉(zhuǎn)週期可能只有8小時(shí)，幾百萬(wàn)年後的今天，受到太陽(yáng)的潮汐力作用而變慢，如此過(guò)程的模型可以證明自轉(zhuǎn)變漫可能要花上十億年，並且讓行星內(nèi)部的溫度上升100度。
水星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一圈的週期是88個(gè)地球天，自轉(zhuǎn)的週期是58.65天(地球天)，它的公轉(zhuǎn)週期是自轉(zhuǎn)週期的1.5倍，也就是說(shuō)：水星的自轉(zhuǎn)很慢，而公轉(zhuǎn)的速度很快，使得住在水星上的人感覺(jué)：水星上的一天之中，已經(jīng)過(guò)年兩次了，真是「度日如兩年」啊，可能比「度日如年」還要多難過(guò)一倍。因?yàn)樗巧系娜?，從日正?dāng)中開(kāi)始到下一次日正當(dāng)中的時(shí)間是176個(gè)地球天；而水星公轉(zhuǎn)一圈(亦即水星上的一年)的時(shí)間是88個(gè)地球天。開(kāi)個(gè)玩笑，為什麼住在水星上(假設(shè)有人適合住在水星上)會(huì)這麼難過(guò)呢？沒(méi)有空氣，不能呼吸，也聽(tīng)不到對(duì)方的談話，要聽(tīng)到精采的音樂(lè)會(huì)難度應(yīng)該很高吧？沒(méi)有海洋沒(méi)有水，水上活動(dòng)當(dāng)然就免談囉？白天抬頭一看，一顆又大又熱的大太陽(yáng)掛在天空中，肯定不會(huì)太舒服的？倒是晚上就比較快樂(lè)了，因?yàn)樘ь^一看，兩顆大大的星星，金黃色的金星和藍(lán)白色的地球就在空中照耀，不幸的是，這些星都不會(huì)眨眼睛，「天氣」又未免太冷了些？
□水星上的一天
至於「度日如兩年」是怎麼來(lái)的呢？我們來(lái)討論一下水星表面上的一天有多長(zhǎng)呢？
(T2代表水星自轉(zhuǎn)的週期、T1代表公轉(zhuǎn)週期、T就是水星和地球的會(huì)合週期)
上式中58.65天是金星自轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間、而87.99天則是金星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間。
計(jì)算一下，我們可以得到會(huì)合週期T=175.89天，也就是說(shuō)如果你住在水星上的話，每天(水星天)(從水星的日正當(dāng)中到下一次日正當(dāng)中)的長(zhǎng)度大約是176天(地球日)，如此一來(lái)，你一定發(fā)現(xiàn)一件有趣的事，水星上的一年大約88天，而水星上的一天卻是176天，真是「度日如兩年」??！
三、水星的大小
水星是太陽(yáng)家族中第二小的行星(最小的是冥王星)，直徑比地球的40%還要小，但比月亮大了40%，也就是說(shuō)：假設(shè)地球的直徑為1，那麼水星的直徑是0.38，月亮的直徑就是0.27。它甚至於比木星的衛(wèi)星甘尼美德(Ganymede)及土星的衛(wèi)星泰坦(Titan)都還要小，但質(zhì)量卻比較大。(表二是一些星球的比較表，表三是水星的物理表。)
表二：水星與一些行星和衛(wèi)星的比較表
行星或衛(wèi)星
半徑
體積(地球?yàn)閱挝?
質(zhì)量(地球?yàn)閱挝?
說(shuō)明
水星
2440公里
0.056
0.055
太陽(yáng)系第二小的行星(只比冥王星大)
地球
6378公里
1.0
1.0
體積是水星的18倍，
質(zhì)量約為6×1024公斤
冥王星
1137公里
0.006
0.0023
太陽(yáng)系最小的行星，比下面三個(gè)衛(wèi)星還小很多
月亮
1738公里
0.0203
0.0123
比水星小，但比冥王星還大
甘尼美德
2634公里
0.071
0.024766
體積比水星還大，但質(zhì)量卻不到水星的一半。
泰坦
2575公里
0.066
0.0223
四、怪怪的水星
水星的軌道很接近太陽(yáng)，愛(ài)因斯坦說(shuō)：太陽(yáng)因?yàn)橹亓κ沟酶浇目臻g扭曲了！也因?yàn)槿绱?，水星的軌道就?huì)怪怪的進(jìn)動(dòng)！
□水星軌道的進(jìn)動(dòng)
水星在繞行太陽(yáng)的軌道時(shí)，近日點(diǎn)依歲差前進(jìn)的速度非常地緩慢(每世紀(jì)移動(dòng)9’26”)，1843年，李維利能以牛頓力學(xué)解釋此現(xiàn)象的百分之九十，認(rèn)為其他誤差(10%)應(yīng)該是水星的內(nèi)側(cè)還有另外一顆行星(X planet)所造成，著名的第十顆行星引起許多天文學(xué)家的興趣，並且在還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)之前就先取好名字了，叫火神星Vulcan，但到今天為止，都不能找到應(yīng)該存在的第十顆行星。之所以如此，是因?yàn)橄惹坝^測(cè)到天王星的軌道受到擾動(dòng)，根據(jù)擾動(dòng)的資料預(yù)測(cè)新行星的位置，並且成功地發(fā)現(xiàn)了海王星，提升了牛頓力學(xué)的成就，李維利據(jù)此預(yù)測(cè)水星之內(nèi)應(yīng)有第十顆行星。但到了1917年愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論，才正確地說(shuō)明水星軌道運(yùn)動(dòng)每世紀(jì)四十三弧秒的額外差異，是因?yàn)樘?yáng)龐大的質(zhì)量使附近的空間彎曲，水星的軌道才產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)。(圖一、水星軌道進(jìn)動(dòng)示意圖)
□1919年的日全食
1919年發(fā)生的日全食，觀測(cè)到太陽(yáng)後面的背景恆星位置因?yàn)樘?yáng)的強(qiáng)大重力場(chǎng)而產(chǎn)生位移(也就是光線因?yàn)榻?jīng)過(guò)太陽(yáng)附近彎曲的空間造成)，得到了證明。由於愛(ài)因斯坦的理論合理地說(shuō)明了水星的運(yùn)動(dòng)，使大家接受這個(gè)理論。1917 年，英國(guó)天文學(xué)界預(yù)測(cè)出 1919 年 5 月 29 日發(fā)生日全食，這一次的日食全食帶從非洲東岸開(kāi)始，向西經(jīng)過(guò)大西洋，南美洲東岸的巴西北部，一直到達(dá)南美洲西岸的智利。劍橋大學(xué)天文學(xué)家艾丁頓 (Arthur Stanley Eddington,1882-1944) (生於1882年12月28日，死於1944年11月22日)規(guī)劃兩個(gè)觀測(cè)隊(duì)伍，分別前往西非海岸Guinea灣的Principe島和巴西北部的Sobral拍攝日全食的照片，愛(ài)丁頓自己去西非，巴西的探險(xiǎn)隊(duì)由格林威治皇家天文臺(tái)的Andrew Crommelin 率領(lǐng)。觀測(cè)的重點(diǎn)是日食的時(shí)候，背後恆星的位置是否變化？在隨後沖洗出來(lái)的照片中，日食時(shí)的星星位置果真偏了，偏離的量與愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)的角度相當(dāng)接近，驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦宣稱的「時(shí)空是隨著物質(zhì)的分佈而彎曲」，而彎曲的空間造成了光線的偏折現(xiàn)象。隨後在1922年的日食，也驗(yàn)證了這個(gè)相對(duì)論的結(jié)果。
□日全食證明空間會(huì)因?yàn)橹亓Χで?div style="height:15px;">
他們拍攝驗(yàn)證的方法，是先前就拍攝金牛座黃道附近的恆星(位於亮星團(tuán)畢宿五上方5.5度的天空)，日全食的那一天，太陽(yáng)的位置剛好就在金牛座的亮星畢宿五上方，這些恆星因?yàn)樘?yáng)的亮度而不可見(jiàn)，但是日全食過(guò)程的短時(shí)間內(nèi)(這一次長(zhǎng)達(dá)6分鐘，一般日全食只有2分多鐘)，這些恆星就會(huì)因?yàn)殛?yáng)光的消失而顯現(xiàn)出來(lái)，因而在金牛座的同一個(gè)位置可以拍攝到這群相同的恆星。兩種照片沖洗出來(lái)後相互比對(duì)，發(fā)現(xiàn)第二張照片的星星已經(jīng)偏離原來(lái)的位置了。為什麼恆星的位置會(huì)有偏離的現(xiàn)象呢？為什麼太陽(yáng)離開(kāi)之後又恢復(fù)了呢？顯然恆星的光線經(jīng)過(guò)太陽(yáng)附近的時(shí)候會(huì)有偏折的現(xiàn)象，金牛座恆星發(fā)出的光線由於經(jīng)過(guò)太陽(yáng)附近(與地球兩點(diǎn)間的直線)，受到太陽(yáng)的重力影響而偏了方向，恆星明顯地位移了 1.98 秒弧的角度，與愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)的 1.74 秒弧的角度相當(dāng)接近。彎曲的空間造成了光偏折的論點(diǎn)，這是相對(duì)論理論的大成就，從此科學(xué)家對(duì)空間與時(shí)間的本質(zhì)才有更進(jìn)一步的理解。當(dāng)然對(duì)於很接近太陽(yáng)的水星，在公轉(zhuǎn)軌道上有古怪的進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象的解釋，也同時(shí)因?yàn)閺V義相對(duì)論的提出迎刃而解了。
五、水星探險(xiǎn)家的遭遇
假設(shè)真的有一位探險(xiǎn)家在水星上活動(dòng)。
□太陽(yáng)很大！
探險(xiǎn)家在水星表面上看見(jiàn)的太陽(yáng)大概是地球看見(jiàn)太陽(yáng)大小的6.67倍，因?yàn)橥晃矬w近看會(huì)比遠(yuǎn)看來(lái)的大，水星看見(jiàn)太陽(yáng)的距離只有地球的0.3871倍，而0.3871平方反比大約是6.67倍?？匆?jiàn)這麼大的太陽(yáng)，背後的天空卻總是黑暗一片，因?yàn)樗堑谋砻鏇](méi)有大氣層可以造成陽(yáng)光的散射(scattering)，當(dāng)然也不會(huì)有藍(lán)天白雲(yún)，更不用說(shuō)天氣變化了。當(dāng)探險(xiǎn)家抬頭仰望夜空時(shí)，他可能會(huì)看見(jiàn)兩顆又大又亮的星星，一個(gè)是金黃色的金星，另一個(gè)是藍(lán)色和白色的地球，並且不會(huì)有陰天影響觀測(cè)的困擾。此外，在水星表面觀星象，條件比地球好許多了，應(yīng)該用不到太空望遠(yuǎn)鏡。
水星會(huì)自轉(zhuǎn)，被塵埃覆蓋的山丘已經(jīng)受到隕石經(jīng)常性的轟炸而侵蝕，斷層峭壁上升好幾公里的高度，並且綿延幾百公里寬，隕石坑的點(diǎn)布滿了水星的表面。如果探險(xiǎn)家要踏在水星的表面上，他會(huì)發(fā)現(xiàn)水星的地面就像月球的表面一般，到處都是大小不一的坑洞。
□日夜溫差很大！
水星沒(méi)有大氣層調(diào)節(jié)氣溫與氣候，探險(xiǎn)家在白天的中午日曬很熱(最高可達(dá)攝氏423℃)，到了晚上又是很冷(最低可達(dá)-173℃)，如果水星表面可以比照地球天氣條件的話，那麼，水星上的金屬鉛、錫、鋅都有可能是液態(tài)的，因?yàn)檫@三種金屬的熔點(diǎn)都低於423℃，假如要在水星上比賽投擲鉛球的話，可能要在晚上比較適合，否則就改為「潑鉛液」比賽了。(但請(qǐng)注意，這是用地球的條件來(lái)做比方，方便大家了解罷了，真正的水星表面沒(méi)有大氣層，有可能金屬的熔點(diǎn)更低許多？)
□水星指北針？
早期的科學(xué)家不曾懷疑水星擁有磁場(chǎng)，他們認(rèn)為：因?yàn)樗呛苄?，它的核心長(zhǎng)久以來(lái)都是堅(jiān)硬的。從行星熔融核心的導(dǎo)電率及其自轉(zhuǎn)造成的電動(dòng)機(jī)效應(yīng)產(chǎn)生磁場(chǎng)的理論來(lái)看，擁有磁場(chǎng)意味著行星的核心含有鐵，並且至少一部份是熔融的。水手十號(hào)證明水星的磁場(chǎng)約為地球磁場(chǎng)強(qiáng)度的1%，此磁場(chǎng)與水星的自轉(zhuǎn)軸大約傾斜7度，並且形成一個(gè)環(huán)繞行星的磁氣圈，水星磁場(chǎng)的來(lái)源可能是行星內(nèi)部中部分熔融的鐵核，或是磁鐵礦殘餘的磁性，行星早期具有很強(qiáng)的磁性，冷卻變硬後會(huì)在巖石上殘留一些磁性。
甚至在水手十號(hào)之前，水星已知有很高的密度(5.44g/cm3)，與地球的密度5.52 g/cm3相當(dāng)，在未被壓縮的狀態(tài)下，水星的密度達(dá)到5.5 g/cm3，而地球只有4.0 g/cm3，水星如此高的密度意謂著行星之中有60%到70%的重金屬，另外的30%是重的矽酸鹽，如此可以推測(cè)得核心的半徑約為行星半徑的75%，那麼核心的體積約佔(zhàn)行星體積的42%。
□水星有水嗎？
水星不會(huì)存在任何形式的水。它有非常稀薄的大氣，整天都非常的熱，但在1991年，加州理工學(xué)院(Caltech)的科學(xué)家轉(zhuǎn)播來(lái)自水星的無(wú)線電波，發(fā)現(xiàn)北極有一個(gè)不尋常的亮點(diǎn)，這樣的現(xiàn)象可以被解釋為北極有冰存在，或者就在表面之下。但是水星可能有水嗎？因?yàn)樗堑淖赞D(zhuǎn)軸幾乎垂直於它的軌道面(赤道傾角0度)，北極所見(jiàn)到的太陽(yáng)都恰在地平線之上，隕石坑的裡面永遠(yuǎn)不會(huì)照到太陽(yáng)光，科學(xué)家猜測(cè)它們可能維持在-161℃以下的低溫，這些極冷的溫度可以阻止水從行星表面昇華，或者因?yàn)殄缧堑淖矒羲鶐?lái)冰，雖然這些沉積的冰可能被一層灰塵蓋住，但仍能傳回明顯的雷達(dá)波。
表三 水星物理表
水星物理表
質(zhì)量(公斤)
3.303Χ1023
自轉(zhuǎn)軸傾角(度)
0.00
質(zhì)量(地球=1)
0.0553
軌道傾角 (度)
7.004
赤道半徑(公里)
2,439.7
赤道表面重力加速度
(公尺/秒2)
2.78
赤道半徑(地球=1)
0.38252
赤道脫離速度
(公里/秒)
4.25
平均密度(公克/立方公分)
5.42
反照率
0.12
與太陽(yáng)的平均距離(公里)
57,910,000
最大星等
-2.4
與太陽(yáng)的平均距離
(天文單位)
0.3871
平均表面溫度
179°C
自轉(zhuǎn)週期(天)
58.6462
最高表面溫度
427°C
公轉(zhuǎn)週期(天)
87.969
最低表面溫度
-173°C
平均軌道速率 (公里/秒)
47.88
大氣組成成分
氦
鈉
氧
其他
42%
42%
15%
1%
軌道離心率
0.2056
第二節(jié) 水星凌日
「凌日」的現(xiàn)象就是從地球觀察太陽(yáng)時(shí)，行星經(jīng)過(guò)太陽(yáng)與地球之間，看起來(lái)會(huì)像一個(gè)小圓的黑點(diǎn)經(jīng)過(guò)太陽(yáng)盤面的現(xiàn)象，凌日是非常罕見(jiàn)的天文現(xiàn)象，以水星來(lái)講，平均一個(gè)世紀(jì)會(huì)發(fā)生13次的水星凌日，金星則更為罕見(jiàn)，1882年發(fā)生金星凌日，接著就是2004年6月8日，下一次是2012年的6月6日，隨後就必須等到2117年的十二月了。水星和金星的軌道都在地球軌道之內(nèi)，我們稱此二行星為內(nèi)行星，當(dāng)此二行星的位置與地球的位置處?kù)丁赶潞稀?下合指內(nèi)行星介於太陽(yáng)與地球之間)時(shí)，並且位於昇交點(diǎn)或降交點(diǎn)附近，也就是水星位於黃道面上附近時(shí)，便有可能發(fā)生「凌日」的現(xiàn)象。目前的水星凌日都發(fā)生在五月初或十一月初，因?yàn)樗窃谶@兩個(gè)月初之時(shí)，才有可能與地球同時(shí)經(jīng)過(guò)黃道面附近的昇交點(diǎn)或降交點(diǎn)。從1601年到2300年的七百年中，共發(fā)生水星凌日94次，其中五月份的水星凌日有31次，十一月的水星凌日有63次。
表四：水星凌日的月份統(tǒng)計(jì)表
水星凌日(1601-2300)
水星凌日
94次(100%)
五月份水星凌日
31次(占33.0%)
十一月份水星凌日
63次(占67.0%)
水星軌道的離心律e = 0.2056；造成水星離太陽(yáng)的距離從4600萬(wàn)公里到7000萬(wàn)公里的大差距；近日點(diǎn)速率(59.0 km/sec)比遠(yuǎn)日點(diǎn)速率(38.9 km/sec)快了將近一半；並且軌道傾角達(dá)到7度之鉅。
五月份水星凌日時(shí)，太陽(yáng)直徑是1902弧秒，水星的直徑卻只有12弧秒，只有太陽(yáng)的1/158(水星的實(shí)際大小則只有太陽(yáng)的1/285)；而十一月份水星凌日時(shí)，太陽(yáng)直徑是1937弧秒，水星的直徑卻只有10弧秒，只有太陽(yáng)的1/194，水星看起來(lái)更小了。
□水星凌日有五種系列
我們可以從表四所列的水星凌日日期來(lái)做一次歸納，應(yīng)該可以發(fā)現(xiàn)它的規(guī)律性，水星凌日相隔的期間有好幾種：3.5年，7年，9.5年，10年或13年，這是因?yàn)樗堑拈L(zhǎng)橢圓軌道(e=0.2056)而顯得複雜，較短的週期是好幾個(gè)水星與地球之間較長(zhǎng)諧波(harmonics)所造成的結(jié)果，而13年的週期比較特別，因?yàn)樗麕缀跽檬撬抢@太陽(yáng)公轉(zhuǎn)週期的54倍，比完美的預(yù)測(cè)值只差2.01天；較長(zhǎng)的33年週期(10+10+13)也是出奇的完美，因?yàn)樗人枪D(zhuǎn)週期的137倍只少了1.67天，如果把13年和33年的週期加起來(lái)一起看，46年的水星凌日週期和水星公轉(zhuǎn)週期的關(guān)係就更為密切了，因?yàn)?6年的週期只比水星公轉(zhuǎn)週期的191倍多了0.34天。下表可以引導(dǎo)你了解這些關(guān)係，請(qǐng)完成下表。
表三：水星凌日週期的學(xué)習(xí)表(請(qǐng)自行依序填入數(shù)據(jù)，最終歸納出一些規(guī)則)
地球年
地球天
地球天/87.9641
1
365.2422
4.151
2
730.4844
8.302
3.5
7.0
9.5
10
13
33
46
完成了上表之後，雖然小數(shù)點(diǎn)的準(zhǔn)確度仍然有進(jìn)步的空間，但也已經(jīng)能夠看得出來(lái)水星凌日的週期性了。
水星凌日可以分成幾個(gè)系列(附表三的最後一欄)，每一個(gè)系列中兩次凌日的間隔是16,802天即46年，46年是13年和33年的和，我們?nèi)绻?6年來(lái)作為一個(gè)單位，那麼1957年、2003年和2049年的水星凌日是一個(gè)系列；1960年、2006年和2052年的水星凌日則是另一個(gè)系列，五月份的水星凌日大約都發(fā)生在水星通過(guò)遠(yuǎn)日點(diǎn)後一個(gè)月，所以運(yùn)行的速度很慢，每一次的凌日的相對(duì)位置大約有200弧秒的改變，很快地向後延遲；對(duì)照來(lái)講，十一月份的水星凌日發(fā)生在水星到達(dá)近日點(diǎn)之前幾天，運(yùn)行的速度很快，每一次凌日的相對(duì)位置大約只有100弧秒的改變，水星凌日十一月系列的循環(huán)週期長(zhǎng)度大約是五月系列的兩倍。例如第八系列(十一月位於昇交點(diǎn))從1776年起到2604年止一個(gè)循環(huán)計(jì)19次水星凌日共花費(fèi)828年；而第九系列(五月位於降交點(diǎn))從1957年到2371年一個(gè)循環(huán)計(jì)10次水星凌日花了414年。在任何時(shí)間，可能同時(shí)有六個(gè)凌日系列在進(jìn)行，但是因?yàn)槭辉孪盗谐掷m(xù)時(shí)間是五月系列的兩倍，所以發(fā)生在十一月的凌日次數(shù)是五月的兩倍。水星凌日的系列週期儘管不同，在每一個(gè)系列所發(fā)生的事件也不一樣多，但卻很像日月食的沙羅(saros)週期。
表三：1999年到2098年的水星凌日
1999年到2098年的水星凌日
Transit Contact Times (UT)
Transit Date I II Greatest III IV Sep. RA Dec GST Series
h:m h:m h:m h:m h:m " h ° h
1999 Nov 15 21:15 21:30 21:41 21:52 22:07 963.0 15.379 -18.54 3.635 2
2003 May 07 05:13 05:17 07:52 10:27 10:32 708.3 2.926 16.73 14.983 9
2006 Nov 08 19:12 19:14 21:41 00:08 00:10 422.9 14.925 -16.73 3.196 8
2016 May 09 11:12 11:15 14:57 18:39 18:42 318.5 3.130 17.58 15.190 7
2019 Nov 11 12:35 12:37 15:20 18:02 18:04 75.9 15.098 -17.45 3.366 6
2032 Nov 13 06:41 06:43 08:54 11:05 11:07 572.1 15.274 -18.14 3.535 4
2039 Nov 07 07:17 07:21 08:46 10:12 10:15 822.3 14.822 -16.27 3.095 10
2049 May 07 11:03 11:07 14:24 17:41 17:44 511.8 3.000 17.04 15.058 9
2052 Nov 09 23:53 23:55 02:29 05:04 05:06 318.7 14.996 -17.02 3.265 8
2062 May 10 18:16 18:20 21:36 00:53 00:57 520.5 3.206 17.88 15.265 7
2065 Nov 11 17:24 17:26 20:06 22:46 22:48 180.7 15.170 -17.73 3.435 6
2078 Nov 14 11:42 11:44 13:41 15:37 15:39 674.3 15.345 -18.41 3.605 4
2085 Nov 07 11:42 11:45 13:34 15:24 15:26 718.5 14.893 -16.58 3.165 10
2095 May 08 17:20 17:24 21:05 00:47 00:50 309.8 3.075 17.35 15.133 9
2098 Nov 10 04:35 04:37 07:16 09:56 09:57 214.7 15.066 -17.31 3.335 8
□特殊的水星凌日
有時(shí)候水星凌日時(shí)，水星只是切過(guò)太陽(yáng)盤面的邊緣，這個(gè)時(shí)候，如果地球的某個(gè)區(qū)域可以看見(jiàn)全部的水星凌日過(guò)程，其他區(qū)域就有可能看見(jiàn)水星的「偏凌」(水星只有一部分進(jìn)入太陽(yáng)盤面)，是非常特殊的現(xiàn)象，1999年11月15日的水星凌日就是這樣，上一次就發(fā)生在西元743年10月28日，下一次將發(fā)生在2391年5月11日；還有一種特殊的水星凌日是地球上一部分地區(qū)可以看見(jiàn)「水星偏凌」的天象，另一部分地區(qū)看不見(jiàn)水星凌日，1937年5月11日的水星凌日就是這樣，更早一次發(fā)生在1342年10月21日，下一次將發(fā)生在2608年5月13日。以上兩種水星凌日是因?yàn)榈厍虼笮〉年P(guān)係，南半球如果看見(jiàn)水星切過(guò)太陽(yáng)南邊的邊緣，北半球的人觀察這個(gè)現(xiàn)象的角度就太高了，也就是看不見(jiàn)水星凌日了。
第三節(jié) 2006年11月9日的水星凌日
最後來(lái)介紹這一次的水星凌日。此次臺(tái)灣可見(jiàn)「日出帶凌」的水星凌日，也就是太陽(yáng)出來(lái)之前，就已經(jīng)開(kāi)始水星凌日了，雖然天還沒(méi)有亮就得早起觀測(cè)，但非常罕見(jiàn)特別，值得作為觀測(cè)的主題。採(cǎi)用天文望遠(yuǎn)鏡間接觀測(cè)水星凌日的方法，可以看見(jiàn)太陽(yáng)盤面上有一顆小圓黑點(diǎn)慢慢地由左下方向右上方通過(guò)(如圖) ，是因?yàn)榻衲甑乃橇枞帐鞘辉路莅l(fā)生在升交點(diǎn)附近(從地球望去，水星軌道的右半部向上翹，左半部則向下)。水星凌日的路徑大約在太陽(yáng)盤面下半圓的中間位置，食甚時(shí)離太陽(yáng)圓盤的中心423弧秒，向右上方傾斜的角度大約就是水星軌道的傾斜角7度。往後同一系列的水星凌日的路徑會(huì)逐年向上升高，漸漸接近太陽(yáng)盤面的中心；當(dāng)然發(fā)生於降交點(diǎn)的五月水星凌日，就會(huì)逐漸向下移動(dòng)路徑，接近太陽(yáng)中心。
這一次水星凌日「食的要素」如下表，
表四 2006年11月9日水星凌日凌的要素
太陽(yáng)
太陽(yáng)每小時(shí)移動(dòng)
水星
水星每小時(shí)移動(dòng)
赤經(jīng)
14h55m24s.55
10.04s
14h55m24s.55
-12s.23
赤緯
-16°43’10”.3
-0’43”.2
-16°50’57”.3
1’46”.6
視差
8”.88
13”.02
視半徑
16’08”.72
4”.98
赤經(jīng)合：力學(xué)時(shí)11月8日21h08m29s.48
表五 2006年11月9日水星凌日臺(tái)灣預(yù)報(bào)
時(shí)間
日心方位角
太陽(yáng)高度角
初虧(外切)
09d03h12m04s
位於地平線下，不可見(jiàn)。
食既(內(nèi)切)
09d03h13m57s
最近日心
09d05h41m04s
日出
09d06h06m
108
0
生光(內(nèi)切)
09d08h08m16s
123.8
24
復(fù)圓(外切)
09d08h10m08s
124.3
24.5
最近日心時(shí)水星與日心距離：423”
註：上面二表摘錄自2006天文年鑑(臺(tái)北市立天文科學(xué)教育館出版)
上面二表的說(shuō)明如下：
一、 赤經(jīng)：太陽(yáng)與水星的赤經(jīng)相同(請(qǐng)注意臺(tái)北市立天文教育館出版的2006天文年鑑第170頁(yè)水星的經(jīng)度與每小時(shí)移動(dòng)的距離，可能是印刷時(shí)印錯(cuò)了？)，也就是說(shuō)：太陽(yáng)、水星、地球三者排成一直線，從地球向太陽(yáng)望去，才會(huì)發(fā)現(xiàn)水星的影像就在太陽(yáng)的臉上。
二、 赤緯：水星的赤緯比太陽(yáng)的中心位置還低，但因?yàn)榈偷慕嵌戎挥?’47”不大於太陽(yáng)的半徑(視半徑16’08”.72)，所以還在太陽(yáng)的盤面上，造成凌日的現(xiàn)象(這是以地心與日心作標(biāo)準(zhǔn))。然而7’47”相當(dāng)於467”，為什麼表五說(shuō)423”呢？由於最近日心的時(shí)間是清晨5h41m，使得臺(tái)灣當(dāng)時(shí)的位置在太空中的位置比地心還要低(黃道南方)，看起來(lái)的角度就應(yīng)該要小一點(diǎn)點(diǎn)。
三、 太陽(yáng)移動(dòng)的角度：太陽(yáng)每小時(shí)的移動(dòng)角度可以如此考慮，每年繞全天一周的經(jīng)度分為24小時(shí)(每小時(shí)60分，每分60秒)，全部換成秒的話，就有86400秒，除以365.2422天之後，就是太陽(yáng)每天移動(dòng)的角度，再除以24小時(shí)的話，每小時(shí)移動(dòng)9.86秒，而這些「時(shí)」「分」「秒」為了與時(shí)間上的時(shí)、分、秒有所區(qū)別，通常都在前面增加一個(gè)「弧」字，成為「弧分」「弧秒」了。又，為什麼太陽(yáng)的移動(dòng)角度是10.04弧秒，而不是9.86弧秒呢？那是因?yàn)榈厍蚬D(zhuǎn)的速率有快有慢，太陽(yáng)相對(duì)地球的運(yùn)動(dòng)亦然，11月9日地球已經(jīng)過(guò)了「秋分」，比較接近「近日點(diǎn)」，因此會(huì)越來(lái)越快。
四、 水星移動(dòng)的角度：你會(huì)先發(fā)現(xiàn)一個(gè)負(fù)號(hào)，代表從地球看去時(shí)，水星由東向西移動(dòng)，而太陽(yáng)是由西向東每天移動(dòng)1度(從地球觀察)，使不動(dòng)的星星感覺(jué)每天提早4分鐘東昇。至於為何是-12.23弧秒，有一點(diǎn)複雜，先當(dāng)作作業(yè)吧﹗
□水星凌日的觀測(cè)
水星凌日的觀測(cè)方法大致與太陽(yáng)黑子的觀測(cè)方法相似。在此建議學(xué)校教師以「間接觀測(cè)法」為主，因?yàn)殚g接觀測(cè)除了安全性比較高以外，還可以方便做紀(jì)錄，讓若干學(xué)生同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，而直接觀測(cè)法(從天文望遠(yuǎn)鏡的目鏡直接觀察太陽(yáng)的影像)通常需要良好的減光，相對(duì)的也會(huì)造成相當(dāng)?shù)奈ｋU(xiǎn)與不便，例如忘了附加減光鏡，或是減光鏡因?yàn)檫^(guò)熱而破裂，如此的方式一次只能容許一位同學(xué)觀察(不方便教學(xué))，並只能以照相的方式進(jìn)行紀(jì)錄，相較之下採(cǎi)用「間接觀測(cè)」的方式應(yīng)比較適當(dāng)。因?yàn)樗堑闹睆街挥刑?yáng)的1/194，因此建議望遠(yuǎn)鏡的放大倍率至少要50倍以上。還有，今年的水星凌日在臺(tái)灣可見(jiàn)「日出帶凌」，也就是日出時(shí)已經(jīng)開(kāi)始凌日了，因此，觀測(cè)地點(diǎn)的選擇最好是在臺(tái)灣東海岸的海邊，例如花東地區(qū)的海邊(例如小野柳、三仙臺(tái)等)，墾丁地區(qū)則以「龍磐公園」為最佳。又因?yàn)槿粘鲋熬捅仨毻瓿捎^測(cè)的準(zhǔn)備，離居住處所(飯店)近的考量也是重要的。
觀測(cè)今年的水星凌日時(shí)，望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該是水平的，因?yàn)樘?yáng)就在東方地平線上不遠(yuǎn)處，間接觀測(cè)時(shí)可以在目鏡之前增加一個(gè)稜鏡接頭，將太陽(yáng)的影像投影到鋪在地面上的投影板，甚是方便，否則垂直的投影板應(yīng)該會(huì)有些不方便吧？
至於研究的方向，當(dāng)年的哈雷用它來(lái)測(cè)量行星到太陽(yáng)的距離，測(cè)量水星與太陽(yáng)大小的比例，進(jìn)而推論行星到太陽(yáng)的距離，紀(jì)錄水星凌日的過(guò)程也可以知道水星運(yùn)行的速率。然而這些數(shù)據(jù)在紀(jì)錄的時(shí)候，通常會(huì)受到「黑滴現(xiàn)象」的影響很大，科學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為這是因?yàn)榻鹦谴髿鈱釉斐傻默F(xiàn)象，但是後來(lái)又發(fā)現(xiàn)：沒(méi)有大氣層的水星也有黑滴現(xiàn)象，我的好朋友林明良老師及其公子林省文先生(就讀中央天文研究所)進(jìn)行研究的結(jié)果，認(rèn)為是基本的光學(xué)繞射現(xiàn)象，也為文發(fā)表在臺(tái)北市立天文館出版的天文學(xué)刊中。
教學(xué)的主題除了顯示水星與太陽(yáng)大小的比例之外，黑滴現(xiàn)象與水星運(yùn)動(dòng)速率，都是不錯(cuò)的教學(xué)主題，包含太陽(yáng)黑子的紀(jì)錄過(guò)程也都可以一併練習(xí)。
