1秒:月全食的变化过程 月全食形成原理图解
满月夜的亮光盘面忽然被咬去一个小边。漆黑缺口缓缓扩大,像谁把一轮银币浸泡进墨汁里。地球的影子在宇宙中拖得老长,月亮正一头扎进去。
太阳、地球、月球排成一条近似直线是这场光影游戏的基本前提。月球绕地球的轨道面跟地球公转平面存在一个大约5度的夹角。多数满月时,月亮从地球影子的上方或下方溜走,相安无事。满月恰好赶到两个轨道面的交叉点附近,月亮才会实实在地撞进地影。这个交叉点在天文上叫黄白交点。月球必须运行到黄白交点附近,而且恰益处于满月相位,才能闯入地球的影子。
地球挡住太阳光,朝背向太阳的那侧空间抛出一个巨大的阴影锥。这个锥体有内外两层。外层叫半影,太阳光只被遮掉一部分,像是光源缺了个角。里层叫本影,太阳圆面完全被地球遮挡,一丝直射光都跑不进来。地球本影是一个圆锥形区域,内部完全没有太阳的直射光线。半影包裹在本影外围,从边缘到中心,遮光程度逐渐加深。
把原理图摊开看。太阳画在左边,地球搁在中间,右边拉出两个长长的锥形筒子。外层浅灰色的是半影锥,里层深黑的是本影锥。月亮画成小圆,在右侧沿着一条微微倾斜的弧线轨道移动,从右下方朝左上方穿过这些影锥。轨道上标注了半影边界、本影边界,还有光线被地球边缘截断的延长线。整张图一目了然:太阳光从左侧平行照过来,地球像颗胶囊卡在光路当中,硬生生截出一段黑暗通道。月亮就充当那个闯进通道的过客。
整个变化过程从半影月食开始。月亮最先接触地球的半影锥外缘。半影遮光微弱,月面亮度仅稍稍变灰,肉眼困难分辨这种细微的暗淡。摄影设备把曝光固定住,才能看出东边缘开始蒙上一层淡灰薄纱。半影月食阶段安静得几乎没有存在感。
缺口真正亮相要等到初亏。初亏是月球东边缘与地球本影外切的瞬间,月偏食阶段拉开序幕。月轮边缘出现一个明显的暗弧,像被利落削去一块。这块暗缺逐渐膨胀,由弧变弓,由弓扩展成吞食大半圆面的黑色区域。月光急速衰减,大地跟着暗下来。
暗缺持续啃食月面,直到整个月球滑进本影。食既时刻,月面西侧最终一丝亮边被地影吞没。食既标志全食阶段正式开始,太阳直射光彻底与月面隔绝。月球没有消失,反而被浸泡成红铜色、暗橘色甚至深红色。影子里并不完全漆黑,地球大气层扮演了偏光镜与透镜的双重角色。
太阳光贴着地球大气层边缘擦过,发生折射弯折。大气中的气体分子与微小颗粒把波长较短的蓝紫光散射到四面八方,剩下穿透力更强的红光与橙光。这些长波光被偏折后汇聚到本影内部,投射在月球表面。红月亮是地球大气折射并过滤阳光的结果,实质上就是万千次日落与日出同时映照在月球上。原理图里经常用几条弯曲的红色虚线示意这种折射光路,从地球大气层两侧弯向本影锥心,再打到月面。
食甚是一轮红月最深的时刻。月球中心走到离地影中心最近的位置。月面颜色最深、分布最匀,往往呈现暗红或棕褐色。亮度跌入低谷,银河与暗弱恒星纷纷在月旁现身。持续时间取决于月球穿越本影的路径长短,最长全食阶段可接近一百分钟。
生光紧随其后。月球继续在轨道上东移,西侧边缘最先蹭出本影,一缕刺眼的亮弧从月轮西边缘跳出。生光出现代表着全食阶段完结,月偏食后半程开启。亮弧逐渐膨胀,像有人从另一侧把黑暗抹掉。月面被照亮的部分与高悬暗红的部分并置,短暂形成一幅冷暖对比强烈的画面。
复圆接档。月球西边缘完全脱离地球本影,最终一点暗色从月面褪去。月亮恢复完整的圆形轮廓,但半影月食尚未结束。复圆时刻月偏食阶段收尾,直射阳光重新铺满朝向地球的整个月面。半影里残存的淡淡灰调还要继续逗留一阵。
最终一步是半影月食终。月球彻底走出地球半影锥,月面亮度恢复如常,所有暗影痕迹消散。一轮满月重新挂回夜空,皎洁刺眼。全过程耗时三四个小时。
月全食的颜色深浅变化并非每次雷同。地球大气透明度是关键变量。大气中悬浮的火山灰、尘埃偏多,折射光线受阻,月面会变成暗红甚至灰黑色。空气干净通透时,红月亮则偏向明亮的橙红或铜色。火山爆发后大气浑浊期发生的月全食,月亮往往呈现极暗的铁锈色,几乎从视野里隐没。
肉眼观测月全食零门槛。不伤眼睛,不需要滤光设备。双筒望远镜里,全食阶段的月面颜色层次与地影边缘的蓝色条带都清晰可辨。长焦镜头能把红月亮与背景恒星框进同一画面。
原理图再拉回视线。太阳、地球、月球的位置关系是死的,本影锥的几何尺寸也是固定的。地球直径产生的本影锥长度大约一百四十万公里,月球轨道半径约三十八万公里。在本影截面上月球处本影直径大约是月球直径的两倍半。月球到地球的距离刚好能让它完全没入本影,却又不会触及影锥顶点,月全食才能完整发生。半影锥则宽得多,覆盖整个地影外围。
满月月月有,地影夜夜拖,但月球多数时候跟本影擦肩而过。轨道交点的进动与朔望周期叠加,让月全食按沙罗周期重复出现。同一次沙罗序列的月全食每隔十八年多复现一次,全球不同区域轮流可见。
当月亮完全游出地影,所有归位。那颗满月重新主宰夜空,仿佛什么也没发生过。地影还在,等着下一次满月正好穿过那条狭窄的交点走廊。
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