日食有可能出現「日環食」,月食卻不可能會有「月環食」

日食有可能出現「日環食」,月食卻不可能會有「月環食」
Photo Credit: Shutterstock / 達志影像

我們想讓你知道的是

月食和日食都是太陽光被遮住所產生的現象,何時會發生月食、會發生哪一種食相,都是由月球、地球、太陽的空間位置與位移所決定。

文:陳仕哲、楊嘉慧、李名揚

在中國古代,人們認為月食是「天狗」吞食月亮,必須敲鑼打鼓才能趕走天狗,使月亮復圓。不過經過天文學家長期的觀測與理論的演進,人類終於知道月食不過是地球陰影覆蓋月球,所造成的自然現象。當太陽–地球–月球連成一直線(即望月)時,太陽光會被地球擋住,照射不到月球,因此無法反射回地球,就會發生月食(或稱「月蝕」)。

地球遮住太陽光所造成的陰影包含「本影」和「半影」,本影區是太陽光完全照射不到的地方,半影區則是只有部份陽光被地球遮蔽。當月球進入地球半影區,會因陽光減弱而使月光變暗,稱為「半影月食」。由於月光本就不強,半影月食的月光減弱並不明顯,一般人往往不會注意到。

但當月球進入地球本影,就會明顯變暗。若只有一部份月球進入地球本影,就是月偏食;若月球全部進入地球本影,月光完全消失,就是月全食。

什麼情況會發生月食?

雖然月食一定發生在滿月的夜晚,不過,並非每次滿月都會發生月食。這是因為黃道面(地球繞太陽公轉的軌道面)與白道面(月球繞地球公轉的軌道面)平均有約5度9分的夾角,導致滿月時,月球經常處於太陽–地球連線的上方或下方;三者未連成一直線,自然不會發生月食。

那麼有沒有可能連續兩個月都發生月食呢?答案是有可能的。當某次月球經過地影的最下端時,此時月球的軌道正好是斜向上走,則下個月滿月時,月球有可能才走到地影的最上端,還沒有脫離地影,這樣就會連著兩個月發生月食了。2009年的7月7日及8月6日即曾連續兩個月發生半影月食,下一次則發生在2013年4月25日及5月25日。

若不考慮這種連續兩個月發生月食的情況,假如白道面和黃道面一直維持固定的傾斜方向,大約每半年會發生一次月食。但事實上,傾斜的白道面會沿著黃道面上的順時針方向,緩慢但持續地偏轉,平均約每8.86年轉一週,導致月食的間隔會比半年略短一點。因此每年發生月食的時間,會比前一年月食時間提早約10~20天。

但是究竟提早多少天,還會受到其他因素的影響,例如白道面與黃道面的傾斜角度並非固定為5度9分,而是在4度57分到5度19分之間變動。另外地球繞太陽公轉的黃道面也會微幅變化,地球繞日及月球繞地的公轉軌道皆是橢圓形而非正圓形,這些因素都會影響日、月、地三者的空間相對位置。

SM092_116
Photo Credit: 科學人雜誌
月食

只有位於月影下「日食帶」的人們,才看得到日食

2009年7月曾發生世紀日全食,吸引全世界的天文迷蜂擁至中國長江流域。日食(或稱「日蝕」)是「太陽–月球–地球」連成一直線(即朔月)時,月球遮住太陽所造成的陰影,只有位於月影下「日食帶」的人們才看得到日食。這次日食的全食帶落在長江流域,台灣及一些周邊地區僅可看到日偏食,不在日食帶的地區就什麼也看不到了。

但月食卻不會這樣,月食發生時,只要處於地球夜晚那一面的人們,都能夠看到月食,而且看到的食相都完全相同。日食和月食之所以會有這樣的差異,是因為太陽為發光體、月球為反光體,而且月球體積小於地球所致。

當月球遮住太陽光時,只能在地球表面的一小塊區域產生陰影,因此只有一部份地區看得到日食。但當地球遮住太陽光時,較大的地影卻足以遮住整個月球,使得月球從進入地影開始月食到離開地影而復圓,都能同時被地球上夜晚那一面的人們看到。

這也是我們感覺月食比較常發生的原因。月食和日食其實會接連發生,因為若滿月時「日–地–月」接近一直線,則在此滿月之前或之後的朔月,「日–月–地」也會很接近一直線而發生日食。但每次發生月食時,地球上有一半以上的區域可以觀測得到(半個夜晚地球加上地球自轉,若月食經歷3.5小時,就有15.5個時區的人可以看見),而可看見日食的只有日食帶的觀測者。

有「日環食」,卻不可能有「月環食」

日食時有可能出現「日環食」,月食時卻不可能會有「月環食」。這原因要從月球與太陽的直徑,以及它們和地球的距離說起。

太陽的直徑約為月球的395倍,「日–地」距離也恰好約為「月–地」平均距離的395倍,這項巧合使得理論上每次日食時,月球應該剛好將太陽完全擋住。但月球和地球的距離並非固定不變,而是時遠時近的,如果發生日食時,月球正好距離地球比較遠,看起來的面積比較小,無法完全遮住太陽,就會形成「日環食」。

但是在月球的公轉軌道上,地球本影的直徑平均約為9300公里,遠大於月球的直徑3476公里。即使月球在遠地點,地球本影區範圍還是比月球大得多。因此發生月食時,月球只要完全進入地球本影區,就一定是月全食,而不可能發生「月環食」。

由地球本影直徑也可推算出月全食時間的長短。月球繞地球公轉的速率大約是每小時3000多公里,從開始進入本影到完全離開,通常歷時不會超過4小時。而且還可能只有3小時出頭,因為月球有可能並沒有進入本影的正中央。

由於月食和日食都是日、月、地連成接近一直線時所發生,當連續兩個月發生月食時,中間夾著的朔月,「日–月–地」連線一定比這兩次月食更接近一直線,因此一定會發生日全食或日環食。同樣地,當連續兩個月發生日食時,中間夾著的滿月,也一定會發生月全食。

暗紅色的月全食

當月球完全進入地球本影而發生月全食時,太陽光照不到月球表面,但月面並非全黑,而是呈現紅銅色。這是地球大氣層造成的折射效應,使太陽光中的紅光照到月面所致。然而,只用折射效應來解釋似乎說不太過去,因為波長較短的藍光折射率比紅光高,偏折的角度較大,照理說應該會有較多藍光向陰影中的月球折射過去。藍光都到哪裡去了?

Total_lunar_eclipse_on_January_21,_2019_
Giuseppe Donatiello from Oria (Brindisi), Italy - Total lunar eclipse on January 21, 2019, CC0, 連結
紅銅色的月全食

原來,大氣層除折射外,還有散射效應,雖然短波長的藍光折射率較高,但被大氣層散射掉的更多,而長波長的紅光對於大氣層的穿透率較高,結果反而有較多紅光能穿透地球大氣層並折射到月面上,使月全食的月面呈現紅銅色。

月全食時如果能從月面觀測地球,將可看到地球周圍一圈十分壯觀的橙紅色光暈,就像是地球上日落後的絢爛晚霞。因為晚霞的橙紅色雲彩,也同樣是大氣散射的效應。

現在天文學家藉由電腦運算,可以將天體運行的複雜公式輕鬆解出來,並得到精確的月食時間及食相細節。而在古代,人們僅憑觀察天象及簡單的數學式來計算月食,最早在中國西漢劉歆編纂的《三統曆》中,就已經預測月食的發生。

古人的計算當然難免會有誤差,但古代的天文官會根據預測月食的準確度來修正曆法,並找出錯誤的原因以設法增進數學能力。由此可知,月食不僅是奇特的天文景觀,對於天文學與數學的進展也可說貢獻良多。

本文獲《科學人雜誌》、《科學人粉絲團》授權刊登,原文刊載於此

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航


Tags: