月相和月食 ——月球和嫦娥探月系列之一

作者简介 

吴鑫基，屯溪一中1956届校友，天体物理学家。1956年考入北京大学物理系气象专业，毕业后留校任教。从教40年，从零开始研究脉冲星并在国际上有了一席之地，拥有很多国际合作者，并于2001年获得中国天文学界的最高奖项——张钰哲奖。吴鑫基教授自2001年2月退休以来，一直站在教学、科研、图书创作和科普宣传的第一线，承担全校通选课《现代天文学》讲授10年，发表论文62篇，出版天文学图书14本，完成了400万字的撰写。在全国各地开展天文学科专题讲座和天文科普讲座62次，发表天文科普文章74篇。

此文系吴鑫基教授给黄山日报科技长廊写的第三个系列的天文科普文章。三个系列分别为“中国天眼”“黄山人的天文情结”“月球和嫦娥探月”，旨在普及天文知识，激发学生对宇宙和天文学的兴趣。

太阳系八大行星中，除水星和金星没有卫星外，都有卫星。地球是一颗，火星是二颗，而木星、土星、天王星、海王星分别有几十颗卫星。中国人称地球为月亮已经几千年了。地球带着月球绕太阳运行，构成一个非常和谐的日、地、月天体系统。人类用肉眼对月球的观测可能是最早的天文观测。

月相和朔望月

人类发现月球的第一个秘密是它的形态的变化规律，也就是“月有阴晴圆缺”。如图给出太阳、月球、地球相对位置变化和月相的关系。月球处于不同的位置时，我们看到月球光亮部位的形状很不相同，形成朔（新月）、上弦、望（满月）、下弦四个特殊的月相。

月球本身不发光，只是反射太阳光。当月球处于太阳和地球之间时，它的黑暗半球对着地球，这天就是“朔”日，又称新月。逢朔日，月球和太阳同时从东方升起，同时落下。人们找不到月球的任何一点踪迹。

月球绕地球运行一圈需时27天多，在天球上的视运动是每天由西向东13度多。地球绕太阳一圈需时365天，太阳在天球上的视运动是每天约1度。月球东移的速度比太阳大很多。因此，朔望之后，月球很快就跑到了太阳的东边。每天太阳先于月球从东方升起，只有等太阳下山的傍晚时分，才能在西边的天空看到一弯蛾眉状的新月，新月很快就跟着下山了。此后，月球升起的时间越来越迟，其形象也逐渐丰满起来。约在朔后七天，成为圆弧朝西的半圆，这就是上弦月。

当地球处于月球与太阳之间时，月球被太阳照亮的半球朝向地球，柔和的月光整夜洒在大地上，这就是满月，又称“望”。满月时，太阳先于月球东升12小时，太阳从西方落下时，月球才从东方升起，直等太阳东升，才不舍地离去。 

过了望，月面逐渐消瘦下去，七天后，它又变成了半圆形，只是圆弧朝东，这就是下弦月。过了下弦，它的半个圆面逐渐消蚀下去，变成狭窄的镰刀形，尖角向西，背向太阳。这个阶段，月球悠然自得地先于太阳东升。

月相的变化产生了朔望月，成为农历的基本计时单位。月貌每七天一变化就成为星期的由来。朔望月的长度并不是固定的，有时长达29天19小时多，有时仅为29天6小时多，它的平均长度为29天12小时44分3秒。实际上，月球绕地球运行一周的时间是27日7时43分11秒，称为恒星月。朔望月比恒星月长是地球带着月球一起绕太阳运行的缘故，当月球绕地球一圈时，地球带着月球绕太阳走了27天多，月球要多走一段路才能达到地球和太阳之间。因此朔望月比恒星月长。地球绕太阳运动的轨道是椭圆形，因此其运行速度不均匀，有时快，有时慢，导致朔望月的长短不一。

日月食

太阳光照在地球和月球上，地球和月球在背向太阳的一面会形成一个圆锥形的黑影，叫做影锥。每当朔日，即农历初一，月球位于地球和太阳之间，月球有可能处在太阳和地球的连线上，月球影锥就达到地球表面，处在月球影子中的人们就看不见太阳了，也就是发生了日全食。每当满月，地球处在太阳和月球之间，地球的阴影有可能使阳光照不到月球，形成月食。

每月都有朔望，但不是每个月都会发生日月食。日月食现象并不常见，原因是月球绕地球运行的轨道平面和地球绕太阳运行的轨道平面有一个5度9分的夹角。也就是说月球、地球和太阳并不处在一个平面上。地球绕太阳在黄道面上运行，月球绕地球在白道面上运行，黄道面和白道面不在一个平面内。只有当地球运行到黄道面和白道面的交线（称为黄白交线）的A点和B点时，月球才有机会与太阳及地球处在一条直线上。

由于日、月、地都有一定的角径，只需在A点和B点附近就可以造成遮挡现象，造成日食或月食现象。经过严格地计算得知，每年在A点和B点至少有一次最多有2次机会发生日食的机会。最多能发生一次月食，也可能一次也没有。

由于太阳引力的影响，黄道面和白道面交线有向西而退的运动。所以只需346.6天地球就可能再次处在黄白交线上。一年365天，多出18.6天，还有一次形成日食和月食的机会。所以说，一年中至少发生2次日食，最多发生5次日食。一年中最多发生3次月食，最少一次都没有。

发生月食时，月球进入地球的阴影之中。在月球的轨道处，地球本影的直径相当于月球的2.5倍左右，地球本影的直径永远大于月球，绝不会发生月环食现象。当月球始终只有部分被地球本影遮住时，形成月偏食。当月球全部进入地球本影时，就形成月全食。月全食时，我们应该看不见月球了，出乎意料的是，此时我们非但能够看见月亮，而且月亮变成了橙红色。这是因为地球大气把阳光中的红光折射到月面上，而太阳光中的波长较短的紫、蓝、青、绿色光，则被地球大气层散射掉了。受地球大气状况的影响，红月亮的颜色并不是每次都相同，会有时深些有时浅些。

— 转载自黄山日报 —