日食的時長與方向原因探尋

趙龍

2020年6月21日的日環(huán)食，引起了全國熱議，網上直播以及隨后的視頻記錄也備受關注。然而這些視頻中，有的是月球自東向西穿過太陽，有的是自西向東穿過太陽，有的是平穿，還有的是斜穿……不一而足。

事實真相是什么呢？

背景知識

首先，讓我們先清理一下太陽、地球與月球在人們頭腦中的印象。通過后續(xù)的一些模型圖，我們要充分想象太陽的巨大以及離我們非常遙遠。

實際上，太陽、地球與月球并非我們常人想象的那樣近，它們之間的距離其實是非常遙遠的（見表1）。那些天文數字在常人的頭腦中實在難以想象，為此，我們需要在頭腦中建立一個太陽、地球與月球的三球模型：

如果把太陽縮小成一個直徑1米的紅色氣球，則地球相當于一個直徑約9毫米的藍色彈珠，而月球就相當于一顆直徑約2.5毫米的豆子;

把地球放在百米跑道的起點，太陽需要放到百米跑道外的約107米處，而月球則在離開地球的約27厘米處;

站在百米跑道的起點，你會發(fā)現，太陽和月球在你的眼中基本一樣大——太陽直徑與月球直徑的比值剛好和日地距離與地月距離的比值基本一樣，都是約400倍——這也正是太陽系中只有地球上才有日全食的原因。

月球軌道并不是一個正圓，月球離開地球稍遠了一點，于是我們看到了日環(huán)食，比如2020年6月21日的日環(huán)食。

日食成因

最基本的推理過程需要考慮太陽的運動、地球的運動和月球的運動。太陽帶著地月系在銀河系的運動，對本話題的影響可以忽略不計。

地球帶著月球繞太陽的公轉，一個周期365天乘以每天24小時，日食從初虧到復圓總長最多兩三個小時，常見的是約兩個半小時，常理上來說，地球公轉的影響也可以忽略不計。

僅僅考慮地球的自轉，若太陽和月球都不動的話，觀察者的眼中太陽和月亮會同樣地東升西落，是不會看到月球穿過太陽運動的。月球的自轉，顯然不可能造成日食。

唯一剩下的影響因素，就是月球繞地球的公轉了！

我們看看百度怎么說：

日食，又叫作日蝕，是月球運動到太陽和地球中間，如果三者正好處在一條直線時，月球就會擋住太陽射向地球的光，月球身后的黑影正好落到地球上，這時發(fā)生日食現象……月亮運行到太陽和地球中間并不是每次都發(fā)生日食，發(fā)生日食需要滿足兩個條件：

其一，日食總是發(fā)生在朔日（農歷初一）。也不是所有朔日必定發(fā)生日食，因為月球運行的軌道（白道）和地球運行的軌道（黃道）并不在一個平面上。白道平面和黃道平面有5°9′的夾角。

其二，太陽和月球都移到白道和黃道的交點附近……

月球比太陽的視運動走得快。日食時月球追上太陽。月球東邊緣剛剛同太陽西邊緣相“接觸”時叫作初虧，是第一次“外切”，是日食的開始。

為了方便理解，請看圖1。

這里，最重要的一句話就是“月球比太陽的視運動走得快。”通過前面簡單的排除法分析，我們可以肯定，“月球比太陽的視運動走得快”必然是月球繞地球的公轉引起的。

然而，月球公轉一周需要用時27.32天，每天又有24個小時，在日食的兩三個小時內，月球真的公轉運行了那么多的距離嗎？

下面，就讓我們通過粗略的計算驗證一下。

參照日全食的圖（如圖2），我們可以分析月球在日全食全過程中，自西向東沿著太陽的中心線穿過了太陽，從初虧、食既、食甚、生光到復圓，月球行走的距離為“太陽在白道距離上的視直徑+月球直徑”，日全食時“太陽在白道距離上的視直徑=月球直徑”。月球在白道面上繞地球公轉的運動距離約為兩倍月球直徑（3476.28千米）的距離，即：

月球公轉運動的距離=2×3476.28千米=6952千米

月球公轉運動的角度=6952千米/月地距離384403.9千米×180度/π=1.036度

再來看一個具體例子。2009年7月，中科院紫金山天文臺歷算室公布了我國部分城市在7月22日的日全食時刻表（見表2）。

我們可以看到，2009年7月22日日全食從初虧到復圓，最短時間約用時2小時17分4秒（即2.284小時），粗略計算：

月球繞地球公轉一周用時=24小時/天×27.32天=655.68小時

月球在白道面運動的角度=2.284小時×（360度/655.68小時）=1.254度

也就是說，要完成日全食，月球的公轉至少需要約1.036度。通過粗略的計算得出，在約2小時17分的最短日全食的過程中，月球的確已經公轉了這么多的角度。

當然，由于地球的自轉平面（赤道）、黃道、白道各在不同的面，上述的計算只能說是非常簡約化了的。但這個計算還是抓住了主要矛盾，足以說明問題了。

現在，我們通過粗略的計算知道“月球比太陽的視運動走得快”，而我們所看到的月球在日食時的運動，也正是月球的公轉——實際上，在約兩個多小時的時間里，你親眼見證了月球在繞地公轉。

方向探尋

作為科學老師，當然是要以實際觀察來說話：不論在什么地方的觀察，不論哪一次的觀察，日食總是從西邊開始初虧，總是從東邊最后復圓。這是為什么呢？

我們知道，月球繞地公轉是自西向東的，它也就是自西向東地趕上了太陽，機緣巧合之下，造成了我們看到的日食。故此，日食必定是從西邊開始初虧而在東邊復圓的。

日食具體走向，就是白道上月球前進的方向。這個自西向東的具體角度，在我們眼中的效果（月球是斜穿太陽還是平穿太陽，具體有多斜），要看當時月球的運動方向和地球自轉（引起觀察者位置不同因素），這個計算也是天文學專業(yè)問題，那就相當復雜了。