觀察火星運(yùn)動(dòng)

◎文圖 中國科學(xué)院國家天文臺 郭紅鋒

觀察火星運(yùn)動(dòng)

◎文圖 中國科學(xué)院國家天文臺 郭紅鋒

上一期同學(xué)們嘗試觀察了內(nèi)行星（在地球內(nèi)圈運(yùn)行的太陽系行星）—水星和金星，經(jīng)過連續(xù)觀察和記錄，對行星的運(yùn)動(dòng)有了感性認(rèn)識。這一期我們再接著觀察火星，以火星為例，我們會對外行星（在地球外圈運(yùn)行的太陽系行星）運(yùn)動(dòng)的共同特性有所了解。

圖1是描述外行星運(yùn)動(dòng)的示意圖，從地球上觀看，太陽與某一顆行星之間的角度稱為“距角”。太陽與外行星距角為0°時(shí)稱為“合”，太陽與外行星距角為90°時(shí)稱為“方照”，太陽與外行星距角為180°時(shí)則稱為“沖”。內(nèi)行星的運(yùn)動(dòng)有4個(gè)特殊時(shí)期，分別為下合、上合、東大距和西大距。同樣，外行星的運(yùn)動(dòng)也有4個(gè)特殊時(shí)段，分別為合、沖、東方照和西方照。就外行星而言，太陽在行星與地球之間時(shí)叫“合”，而地球在行星與太陽中間時(shí)叫“沖”（即地球與外行星在同一側(cè)）。外行星在“沖”的位置時(shí)，與地球之間的距離最近，而且整夜都可以看到（類似滿月時(shí)從地球上觀察月亮，整夜可見）。因此，外行星位于“沖”的位置是觀測該行星的最好時(shí)機(jī)。

我們講過，內(nèi)行星（水星和金星）在恒星背景里“游行”的一般規(guī)律是在太陽附近往返?，F(xiàn)在我們要介紹外行星在恒星背景里“游動(dòng)運(yùn)行”的主要規(guī)律，是“順行”與“逆行”（見圖2）。

圖1 外行星運(yùn)動(dòng)示意圖

通常我們舉頭望星空時(shí)，看到天空中的所有天體都是投影在巨大的天球上。在這個(gè)天球上，恒星相互間的位置是恒定不變的，而行星卻是在恒星之間穿行。以觀察火星為例，從地球上看，火星先是在某星座里，過幾天再看火星會移動(dòng)到別的星座里了。如圖2所示，地球和火星運(yùn)行在位置1與位置2的時(shí)候，地球在火星的后面，從地球上會看到火星每天在恒星背景里向東移動(dòng)了一點(diǎn)角距離（參考火星與鄰近恒星的角距）；當(dāng)?shù)厍蚝突鹦沁\(yùn)行在位置3的時(shí)候，此時(shí)地球已經(jīng)追上火星（也就是沖日）；然后地球超越火星，這期間從地球上向天空觀察火星，會看到火星折回向西（參考火星與鄰近恒星的角距）一小段距離后，又折回再次向東穿行。我們稱行星在星座里（恒星背景里）向東的穿行為“順行”，折回向西的穿行為“逆行”。

圖2 外行星逆行演示圖

一、觀察火星運(yùn)動(dòng)

由于火星公轉(zhuǎn)周期為687天，與地球發(fā)生沖的機(jī)會大約2年才有一次，所以要觀察一個(gè)完整的火星順行與逆行的周期也需要大約2年的時(shí)間。上一次火星沖日是2016年5月22日，下一次火星沖日是2018年7月27日。現(xiàn)在離下一個(gè)沖日還有大半年時(shí)間，同學(xué)們可以先做間隔時(shí)間較長的觀察，例如每月觀察1次，等到離沖日較近的日期（2018年7-8月間），再做間隔時(shí)間較短的觀察，例如每天（或幾天）觀察一次。

下面給大家介紹2017年10月火星在天空中的位置和在星座里穿行的運(yùn)動(dòng)情況。

2017年10月初，每天黎明前（早晨5點(diǎn)左右），我們可以在大約正東方向，距離地平面約10°的位置找到火星（這期間火星離沖還很遠(yuǎn)，故不太亮，只有2等左右），也可以通過星座找火星（2017年10月間火星在獅子座的南邊），此時(shí)金星離火星很近，就在火星的西邊一點(diǎn)。金星每天都會向東穿行（接近太陽），因?yàn)榻鹦沁\(yùn)動(dòng)得比火星快，所以很快就趕上了火星，并在10月6日與火星相合（早晨5點(diǎn)左右，在正東方向，距地面高度約10°，可以觀察到），10月7日以后，金星已經(jīng)在火星的東邊了，10月底，金星在同一時(shí)間大約在地平線上。由于火星向東行的比較慢，而跟著星座向西的運(yùn)動(dòng)（地球公轉(zhuǎn)引起）更明顯，因此每天黎明前（早晨5點(diǎn)左右）火星的地平高度幾乎不變（參考圖3）。

因此，觀察火星的運(yùn)動(dòng)一定要參考恒星背景，也就是觀察它在星座間的游行規(guī)律。同學(xué)們?nèi)绻心托暮统种院愕木瘢梢园延^察火星的工作持續(xù)做下去，至少堅(jiān)持到下一個(gè)火星沖日（2018年7月27日）以及沖日以后的逆行。

圖3 金星合火星示意圖

下面給出2017年10月至2018年12月，火星在天空中的位置和在星座里穿行的運(yùn)動(dòng)情況（參考圖4）。

2017年10月火星在獅子座，緩慢東行（順行），亮度約2等；

2017年11月火星東行，進(jìn)入室女座西端，順行，亮度約2等；

2017年12月火星繼續(xù)在室女座東行，順行，亮度約2等；

2018年1月火星進(jìn)入天秤座，順行，亮度約1.6等；

2018年2月火星進(jìn)入天蝎座，順行，亮度約1.3等；

2018年3月火星進(jìn)入蛇夫座，順行，亮度約1等；

2018年4月火星進(jìn)入人馬座西端，順行，亮度約0.4等；

2018年5月火星在人馬座繼續(xù)東行，順行，亮度約-0.3等；

2018年6月火星進(jìn)入摩羯座，順行，亮度約-1等；

2018年7月火星在摩羯座，逆行，亮度約-2等（圖中藍(lán)色箭頭線）；

2018年8月火星在摩羯座，逆行，亮度約-2等（圖中藍(lán)色箭頭線）；

2018年9月火星逆行到人馬座邊緣，亮度約-1等；

2018年10月火星順行回到摩羯座，亮度約-1等；

2018年11月火星順行到摩羯座邊緣，亮度約-0.5等；

2018年12月火星順行，進(jìn)入寶瓶座，亮度約0等。

同學(xué)們可以參考圖4標(biāo)注火星在星座間的位置，從而看出火星接近沖日的亮度增加和沖日前后順行和逆行的規(guī)律。

圖4 火星運(yùn)動(dòng)情況示意圖

二、觀察與記錄

觀察與記錄同樣要制作一個(gè)表格（參考下表），把每天觀察的數(shù)據(jù)填入表中，方位角要先確定正東方向，找一個(gè)地面參考物做好標(biāo)記，然后用手指法或拳法估算火星的位置與正東方向的角距，地平高度也是一樣用手指法或拳法估算火星離開地面的高度角。

有了這些數(shù)據(jù)以后，你還可以把每次記錄表中的數(shù)據(jù)標(biāo)在一幅背景圖上，這個(gè)背景圖里要有星座圖，最后把所有的圖拼接起來。如果能堅(jiān)持觀察兩年，就可以制作一個(gè)完整的火星在天空星座背景里運(yùn)動(dòng)的示意圖了（參考圖4）！