说好的日环食呢，为什么上周很多人只等到了日偏食?日食月食的时间和种类是怎么预测的?你真的弄懂了各种日食和月食的成因吗？你了解它们有什么区别和联系，又遵循什么样的时间规律吗? 日食和月食发生的频率一样吗？什么是全环混合日食？半影月食和月偏食是一回事吗？ “阴晴圆缺“的月相是怎么形成的？月相与日食月食有没有什么关系？月食时的血月是怎么形成的？随便看一眼月亮你就能根据月亮的位置大概判断当时是几点钟吗?日全食会永远消失吗？相信读完本文，当你理解了之后，这一切就变成了有趣的常识，你会有各种各样意想不到的收获。
撰文 | 满威宁如果有新闻说找到一批三国时期的竹简，那些文字表明：诸葛亮的生辰是七月初八，那天天降异象“日蚀之”。你的第一反应会是什么?如果有人为终于找到原始文献记载诸葛亮的生辰而高兴，或有人沉思疑惑“日蚀之，主贼生”，不是吉兆。你能不能马上笃定地告诉对方，别琢磨了，这消息一定是假的？你知道为什么吗?我经常问我的学生和我自己这个问题：“如果只带着现在自己脑子里的东西，穿越到古代，你能做什么养活自己，或者还可能做成点什么改变世界?”我们站在几千年人类文明的肩上，比起古人我们到底多会些什么，又到底多懂了哪些常识？比如，《春秋》这部编年史记载了公元前722到前479年共244年中的37次日食。古人无法理解日食和月食，用天象战战兢兢地占卜着吉凶。如果我们穿越到古代，能够准确预测日食月食和编历法的话，不仅可以养活自己，大概还会被奉若神明吧。下图按时间顺序编号展示了未来十年的各种日食和可观测区域。文末附有图表详细列举了未来11年世界各地所有的日食和月食的时间和可观测范围。
图片来源：timeanddate.com
半影本影的形成示意图 | 图片来源: 作者
从光源最外侧的点出发，画出沿直线前进的光线以及物体后方的阴影区域，所有阴影都重叠的位置就是本影，这里没有光线到达。被一部分光源照亮的阴影区就是半影；换句话说，在半影能看见部分的光源，半影区没有那么黑。
本影大小与距离的关系 | 图片来源：作者
借用晚上室内的灯光，用手在桌上或墙上做做影子游戏，你就可以明显地看到手与墙面之间的距离，对本影和半影所占的面积比例的影响：物体越远离投影的屏幕，屏幕上本影占的面积比例越小。那么，有没有可能让本影彻底消失呢？是的，继续玩影子游戏，你会发现当物体与投影屏幕的距离大到一定的程度(或者光源的尺寸与物体相比大过一定的程度)，对应的无穷多个影子就不再能全部重叠于任何区域，此时屏幕上的所有位置都接受到某部分光源的光线，本影消失了。
本影半影伪本影区 | 图片来源：维基百科
总之，本影区是不透明物体后方完全不被照亮的区域(a)，半影区是被部分光源照亮的区域(b)。而本影区的延伸区域(c)有点特殊：光源外围的光线可以到达这个区域，而光源中心的光线不能到达。所以在这里会看到中间被遮挡的光源，这个区域被叫做伪本影区。远离物体，本影消失后，伪本影区出现。
各种日食的形成有了本影、半影和伪本影的知识，彻底理解各种日食的形成原理就很容易了。太阳的直径是月球直径的400.5倍(体积是6400万倍)，而太阳到地球的平均距离是月球到地球的平均距离的395倍，所以从地面看起来太阳和月亮差不多大，在月球运行到日地连线之间时，能遮住太阳，形成日食。比如说，当月球遮挡阳光，在地球表面投射出本影和半影的时候，本影区域内的人就会观察到日全食(Total Solar Eclipse，在那个时刻完全看不见太阳)，而在半影区域的人会看到被月球遮挡了一部分的太阳，观测到日偏食(Partial Solar Eclipse)。
图片来源：http://beagle.lamost.org/blog/content/uploadfile/201912/abf21575341865.gif
图片来源：timeanddate.com
各种月食的产生记得小学的时候爬到5楼天台看月食，书上说月食是因为地球挡住了月亮，小伙伴边看边评论：“地球明明在我脚下，怎么挡住了天上的月亮？”你能解释清楚吗？还有，你是否觉得新闻报道里的月食似乎远多于日食，为什么呢？月食发生的频率真的远比日食高吗？分析月食和日食的最大不同在于，要考虑月亮本身不发光，月光是月亮对太阳光的反射。大家都知道当地球在太阳和月亮之间，遮挡了原本射向月球的阳光，就会形成月食。讨论月食最常见的一个错误，就是误以为月亮进入地球半影区的时候就得到月偏食。
图片来源：作者
其实，即使月球整体都在地球的半影区内，地球也只遮住了一部分来自太阳的光线。此时月球朝向太阳的这一面，全都能够看到日偏食，也全都有太阳光可反射，这时的月面，并不会因为地球的半影而缺失一块，仅会在亮度上减弱。所以这并不是月偏食，而被叫做半影月食(Penumbral Lunar Eclipse)——局部或整体亮度减弱，并非某处月面彻底缺失。而只有当一部分月球开始进入地球的本影时，这一部分月球才彻底失去太阳的照耀，此时才开始月偏食。月食的月面缺失是从月球进入地球本影区开始的，直至完全走出本影区而结束。
在这个过程中，如果存在一个时间段让整个月球都进入地球的本影区，那就是月全食(Total Lunar Eclipse)，在食甚的时候“天狗”会完全“吃掉”月亮。
如果月球始终没有完全进入地球的本影，则只会看到月偏食(Partial Lunar Eclipse)。“天狗”好像只咬了几口又就吐了出来，没有吞掉月亮，如下图所示。
月食和日食另一个很大的不同在于，日食发生的时候，只能在(伪)本影和半影的小范围内可以观测。可月食发生的时候，面向月球的那半个地球都能同时观测。再加上整个过程中地球的自转效果，导致每次有月食发生，在大半个地球范围内都能看到(至少一部分过程)。
这就是为什么我们在各地能观察到的月食都比日食要多的主要原因。2020年共有四次半影月食，7月5日这次美洲欧洲非洲可见，而11月30日那次中美皆可见；2021年则有一次月全食一次月偏食，都是中美皆可见。
图片来源：timeanddate.com
那么，为什么我们不曾听说月环食呢? 在月亮上有可能观察到日环食吗? 在任何位置可能观测到因地球遮挡阳光而形成的月环食吗? 还有如何根据曲率半径一眼分辨一副过曝的黑白照片是日偏食还是月偏食? 诸如此类的有趣问题。如果你真正理解了以上信息，并且能考虑太阳直径是地球的109倍，以及前面提到的日月地之间的距离差异，相信你会有清晰的回答。伴随月食的血月是怎么回事？当月球完全进入于地球的本影区内时，按说太阳光不能到达月亮，所以通常在人们的想象中一次完整的月全食演化应该是左图这样的：
关于月相你可能不知道的那些事“人有悲欢离合，月有阴晴圆缺，此事古难全。”古今中外都有人为月相的变化留下过动人的文字。月相到底是如何形成的？月相与日食月食的关系又是如何？
月相形成原理丨图片来源：作者
理解月相的关键仍然是不要忘记月亮本身是不发光的，我们看到的月亮只是被太阳照亮的那一部分。在一间漆黑的屋子里，拿一个球甚至一个橙子，用手电筒或者台灯，远远地照亮这个球，你会看到这个球永远只有一半被照亮。而我们从不同的角度观察它，就会看到所有的月相。
月球的相(上)和金星的相(下)丨图片来源https://skyandtelescope.org/online-gallery/phases-of-moon-venus/
“缺失”的那部分月亮，当然还在那里，只是没被阳光照亮而已。其实有时候来自地球的反光能照到那部分月亮，让缺失那部分月亮也呈现出黯淡的轮廓。另外，不仅月亮有月相，各大行星也有变化的“相”，因为行星也不发光，也只有被太阳照亮的那一面是亮的。金星相(见上图右下方)跟月相原理一样，形状类似，可以通过望远镜清晰地拍到。如图所示，当阳光从右侧照来，月球只有右侧被照亮。而月球公转周期是27.3天，加上地球在这段时间走过的路程，月亮要约29.5天(农历一个月)才相对于日地连线完整地转一圈。在右图中我们把的日地连线始终固定在左右方向，并画出月亮相对于日地连线在农历一个月内的位置变化。
日食、月食和月相的关系读到这里细心的读者会发现：日月地连成一线，月球挡住太阳——日食发生的时候，只能是月相几乎为零的日子(农历初一)。而日地月连成一线，地球挡住射向月球的阳光——月食发生的时刻，只能是满月的日子(农历十五六)。于是我们可以断言，农历某月初八的日食或者月食一定是杜撰的。若哪位史学家或者穿越小说家说，秦王嬴政出生在正月初一或者夏历十月初一，那天有月食发生，你知道那准是骗人的。也有人根据以上月相图会追问，既然如此，为何不是每个初一都会发生日食(日月地成一线)并且每个十五都会发生月食(日地月成一线)?事实上，之前的月相图是画在平面上的，而月球围绕地球的公转轨道(白道)，与地球公转轨道(黄道)并不在一个平面上，这就是平常说的黄道白道之间的夹角(5.14度)。所以每月初一，月亮都与太阳在地球的同一侧，但未必能三球连成一条线。
白道与黄道之间存在夹角丨图片来源：作者
这个夹角令三球对齐的概率大大降低，所以并不是每个初一或十五都发生日食或月食。而且，就算有时三球部分对齐，也会有中心始终不够对齐的情况，这时则会发生纯粹的日偏食和月偏食(比如月球不能完全进入地球的本影区发生纯月偏食，地球只经过月球的半影区发生纯日偏食)。其实，日食和月食总是相伴发生。当日食发生时，月地连线和黄道在一个平面上，所以在那之前或之后半个月，月球绕到地球另一侧通常会也发生一次月食。(日食总是在月食两周前或者两周后发生)。通常是一次日食一次月食相伴发生(间隔半月)，也有时候会有三次日月食连续发生。比如2020年6月6日的半影月食、6月21日的日食和7月5日的半影月食。考虑由万有引力主宰的地球和月球各自的公转轨道，可以严格计算出地球和月球的位置随时间变化的轨迹，准确预测日食和月食每次发生的时间，持续的时间和可观测范围。虽然黄白交角的存在和公转轨道的椭圆性质，使这样的计算具有一定的复杂性，但至少读到这里，我们对日月食发生的原理，预测方法和与月相的关系等常识都有了清晰的了解。总之，平均而言在多数的年份中都会发生两次日食和两次月食。少数年份里有三次，极少数年份里可能达到四次，那多半是因为比较偏的日偏食(例如2000年)或者半影月食(例如2020年)的贡献。日食的可观测范围远小于月食的，所以通常平均好几年才能在某地观看到一次日偏食，而由于日全食和日环食的观测范围太狭小，平均要间隔近400年才能在同一个地方再观测到一次日全食。未来十年的所有日食月食汇总在此，便于收藏。
日食预测 | 图片来源：timeanddate.com
月食预测 | 图片来源：timeanddate.com
江边何人初见月，江月何年初照人？早在人类还未诞生之前，日地月系统已经这样规律地运行了亿万年，而人类短短几百年的科技史已经为我们揭开了太多古人不能理解的奥秘。但实际上，这一切也不都是亘古不变的。比如说，利用激光，地月距离的测量可以精确到毫米。由于潮汐加速，现在月球正以3.8厘米每年的速度远离地球。在很多亿年以前月地距离更近，那时候在地球上看不到日环食。而在未来(几亿到十亿年以后)，地月距离将远到让地球无法再进入月球的本影区(月球将不足以遮挡整个太阳)，地球上将不再出现日全食，而且到那时候太阳也演化得更亮、更难被彻底遮挡，于是就只剩日环食和日偏食了。对日食月食的观测和精准预测是天体物理学里的重要话题，有助于测量和验证与天体轨道有关的各种参数，以及它们的变化。日全食也为排除太阳光和辐射的干扰进行科学实验提供了难得的机会。此外，不仅月亮遮挡太阳形成日食，行星也可以遮挡太阳形成金星凌日、水星凌日等天象，行星凌日的原理与日食是一致的。“凌日法”是发现和研究太阳系外行星的两个重要方法之一。科学家对太阳系外行星的寻找和探索与科学家对宇宙起源的研究分享了2019年诺贝尔物理学奖。很大一部分太阳系外行星的发现，就是靠观测那些恒星被自己的行星遮挡的亮度变化以及发生的周期而推算出的。人类对太阳系外行星，对宇宙的探索在加速进步。从古人战战兢兢占卜，到现在我们站在整个人类文明的肩膀上，比起古人，我们到底多掌握了哪些常识，多理解了哪些原理？如果不能带别的东西，只带着你大脑里的一切穿越回古代，你能够做些什么古人做不到的？是值得经常思考的问题。资料来源
[1] www.timeanddate.com
背景简介：文章于2020年6月28日年发表于微信公众号 返朴(为何你没见到日环食？你不知道的天象常识原来还有这么多)，风云之声获授权转载。
责任编辑：祝阳
