月全食的变化过程
平时看去就像一个巨大的银色盘子悬挂在天空中。有时它会不规则起来,缺了一块,慢慢地又少了些,最后整片都变得黯淡无光了。变成了一种非常奇特的暗红颜色。这个过程,在天文学中有一个专业的术语来表示。叫做月全食。
月全食的发生需要满足很多严格的条件。太阳、地球和月亮一定要排列成一条直线。地球刚好处在太阳与月球之间。一点差错都没有。如果有差错就变成了偏食。或者是什么也看不清。地球的影子被分成了两部分。中间那一块最黑的就是本影。边上的浅一些的就是半影。只有当月亮进入本影的时候才算是真正的开始了。这个东西听上去很简单。实际上执行的时候时间很准。并不是每个满月的时候都会遇到。轨道有夹角。大部分情况下,月亮会从地球阴影中的上部或下部穿过。
整个过程分为七个步骤。半影食始最先开始。此时月亮刚刚进入地球半影区。亮度变化极小。用眼睛看的话基本上是感觉不到的。只有当你把测光仪器搬出去的时候。否则就和普通的满月一样了。然后是初亏。初亏是指月亮边缘第一次接触到地球本影的时候。从这里开始。月球表面会有一个明显的小小的缺口。就像被一个圆规的尖端轻轻地划过一样。缺口的颜色比较暗淡、灰色。和旁边的白色部分形成了强烈的反差。之后缺口就越来越大了。
食就是月亮完全进入到本影之中的一刻。在此之前,月亮只剩下最后一点光芒了。亮边用望远镜去看会很刺眼。就像烧红了的铁丝一样,一吃就完了。整个月份,月球都处在地球本影之中。从理论上讲应该完全黑暗了,但是实际情况并不是这样。月亮的颜色会由原来的白色变为深红或古铜色。原因是由于地球的大气层造成的。太阳光经过地球的大气层之后会发生折射。波长短的蓝色和紫色光线被散射掉了。剩下的波长长一些的红色、橙色光线继续前进。弯折之后刚好照射到月球上。这是因为在傍晚的时候,太阳已经落下,在天空中留下一片红色。
食甚就是月亮跑到了本影最深处的时候。此时月亮距离本影中心最近。颜色最深的是红色,有时会偏棕、偏灰或者偏青。根据当时的地球大气层中所含有的尘埃、火山灰和云层的数量来决定。1991年皮纳图博火山爆发之后。下一年度的月全食时分非常短促,几乎看不清了。1840年代工业革命顶峰时期的月全食记录表明,此时的月亮呈现出深铜色。和大气中的污染物颗粒物浓度有关。没有什么神秘的地方。
生光就是月亮从本影中开始向外移动。东边最先接触到本影边界。亮光又出现了,在那短短的一瞬之间,反差非常大。暗红色圆面之上忽然出现了一小块耀眼的白色光芒。就像有一道口子被撕开了,然后亮区慢慢变大,而暗区则越来越小。整个过程和初亏到食既的过程是一模一样的。但是方向反过来啦。
复圆就是月亮完全脱离本影的时候。月面缺口完全消失,恢复为满月的状态。但是边缘处仍然会有一点淡淡的灰色。由于月亮仍然处在半影之中。半影食最终就是最后一环了,月亮完全脱离了半影状态。所有的变化都又回到了原来的状况。前后加在一起一般会持续3-5个小时左右。全食阶段就是从食既到生光的过程。一般不会超过一个半小时。
整个一个月的全食时期可以见到一些伴随的现象。月亮的颜色变化是很容易观察到的。但还有别的。比如说月球表面的亮度突然变小了。满月的时候的光照强度大概是0.2勒克斯左右。在全食的时候可以达到零点零零几勒克斯。相差两个数量级。例如背景恒星忽然变清楚了。平时满月度很高,星光都被淹没看不到了,在全食的时候月亮变暗了。银河系以及暗弱恒星都出现了。有一种宇宙忽然之间变得很通透的感觉。
月全食并不是每一年都会看到红月亮。丹容等级将月全食的亮度分为五个级别。L=0表示非常黑暗,几乎看不清。L=4表示亮红铜色。边缘泛蓝。该分类方法在1940年左右就已经确定下来了。一直用到现在。由于各地环境的不同,所以观察到的颜色也会有所不同。由于光经过的大气路径长短不同。地平线附近发生的月全食要比天顶附近发生的月全食要红一些。大气折射路径会变长一些。
古人对于月全食有着自己独特的认识。大多数文明都把这当作一种征兆来对待。天狗吃月亮是中国和日本等东亚国家所广泛传播的一种说法。敲锣打鼓放鞭炮可以把天狗吓跑。这个习惯一直延续到了20世纪初的一些村庄中。美索不达米亚人把月食和国王的安全联系起来。巴比伦祭司们发展出了一个用沙罗周期来做的预报的方法。可以预先得知每年某个月的某一天会遇到一次月食。为了让国王早点找到一个替身来代替自己。这个替身会在那一天扮演国王的角色。而真正的国王则躲了起来。等到月食过去之后再出来。这件事用楔形文字刻在泥板上的字迹非常清楚。
沙罗周期为18年10个月左右。每隔一个沙罗周期。日食和月食的发生是有一定周期性的,而且这个周期是固定的,并不会因为时间长短而改变。但是发生的地方向西移动了120度经度。这套规律迦勒底人在公元前六七百年前就已经掌握了。比牛顿出生要早大约两千年四百天左右。主要是依靠人的视力以及泥板来记载。没有用到任何数学公式来推导出结果。
月全食曾经具有很高的科学研究价值。亚里士多德把月食的时候地球投到月亮上的影子是圆的这件事。用来证明地球是球体的。这个逻辑非常直接。如果地面上面是一个平面的话。影子的边缘不应该一直保持为圆形。后来哥伦布航海的时候也用过月食来测定经度。月食发生的时间对全世界的观察者来说都是相同的。按照当地时间来算。就可以知道自己的位置是西边还是东边了。精度超过了当时所有的航海钟。但是月食并不是经常出现的,一年最多只有两次到三次。它的实际用途很小。
现在的人都把看月全食当作一种视觉上的享受。纯粹的天文现象,不需要花费钱去买票,只需要用眼睛直接去看就可以了。和日食一样需要佩戴防护眼镜。月食完全安全。满月的光芒即使再强也不会伤害到视网膜。用三脚架把手机固定好之后再进行拍摄延时的效果。可以明显的看到月球表面的缺口在移动。做成长图动图都比较直观。大城市的光污染很重,红色的效果受到影响。郊外或者山顶的地方好多了。
下次月全食的时间天文台一般会在几年之前就通知大家。精确到秒。月球运行的规律被吃得很透彻了。轨道计算误差很小。否则就是小行星突然撞击月球使轨道发生改变的情况。但是这样的概率微不足道。由于地球大气层的状态不能够提前很久来预测。因此具体的能够红到什么样的程度。只有靠近的时候才能去判断。卫星云图可以提前好几天告诉你今天是晴天还是阴天。
月亮逐渐消失然后又重新出现的过程。从宇宙的角度来看,就是三个球体按照固定的轨道转动的结果。不具有戏剧性的特点,也没有任何的感情色彩,完全符合牛顿力学的要求。也符合广义相对论的基本结构。太阳发出的光线要经过一亿五千百万公里才能到达地球。一部分被挡住了,另一部分则转弯了。照射在直径为3400公里的一个岩球上。反射到我们的视网膜上,然后被神经系统传送到大脑中去。产生了一个“月亮变红了”的想法。这件事本身很直接也很好看。
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