日食和月食出现机会多少的比较

2010-02-08上海市北郊高级中学200081周义钦

地理教学 2010年13期

上海市北郊高级中学（200081）周义钦

日食和月食是体现日、地、月关系的比较常见的天文现象。2009年为全球天文年，各种天文现象彷佛在庆祝似的一起来凑热闹。去年全球有一次日环食、一次日全食、一次月偏食及三次半影月食现象，其中7月22日上午的日全食，全食带起自印度，横贯我国西藏南部和长江流域，最后结束于南太平洋，成为本世纪持续时间最长的日全食奇观。此次日全食，我国境内尽管有些地区的天公不作美，但在那天昏地暗的几分钟里，也足以给观察者以震撼，在中国各地掀起了一股天文观测热。日全食过后，很多人都在翘首以望，不知道哪一天还能够幸运的观测到日食和月食。那么，日食和月食的出现机会究竟哪个更多，它们的出现有没有什么规律？要回答上述问题，还得从日食和月食的形成原理和发生规律说起。

一、日月食的形成原理和发生条件

1．日月食的形成原理

日食和月食形成的原因，道理很简单。由于光的直线传播，在阳光的照射下，月球和地球在背向太阳的方向拖着一条影子，如图1所示。月影扫过地面，产生了日食；日食必发生在朔日，即农历的初一。地影扫过月面，产生了月食；月食必出现于望日，即农历的十五或十六。

图1 日食和月食成因示意图

2．日月食的发生条件

日食和月食一定分别发生在朔日和望日，但日食与月食并不会月月发生。这是因为地球绕太阳公转的轨道（黄道面）与月球绕地球公转的轨道（白道面）并不完全在一个平面上，保持着5°09'的交角，而且倾角的方向和大小基本不变，所以大多数的朔日和望日，月球在黄道之南或以北通过，月影或地影落不到地球或月球上，这就形成不了日食或月食。只有太阳位于黄道和白道的两个交点附近时，朔日和望日才有可能发生日食或月食。如图2所示。

图2 日食与月食的形成条件示意图

由上分析可得出日、月食发生的条件是：太阳和月球必须同时位于同一黄白交点一侧（日食），或分居同一黄白交点两侧（月食）或其附近。

二、日月食发生的规律

1．日食和月食的“食季”

在地球上看来，太阳在黄道上由西向东运行，每年一周；月亮在白道上同方向运行，每月一周（恒星月27.32天）。月亮每月(朔望月29.53天)都会赶上太阳一次（合朔）。只有当太阳在黄白两道的交点（升交点或降交点）前后18度以内被月亮赶上，日食才可能发生（在前后15度以内必定发生）。这个范围称为“食限”，如图3所示。同理，对月食而言，如果望月在黄道和白点的交点附近12度左右的范围内，就可能发生月食（在前后10度以内必定发生）。

图3 日月在黄白交点附近的视运动示意图

比较起来，月球是频繁地（每月两次）经过黄白交点的，全年计24.5次；而太阳需隔半年才来到交点一次。所以，当时是否发生日、月食，主要取决于太阳是否位于黄白交点或其附近。由于黄道和白道的交点有两个，这两个交点相距180度，所以一年之中有两段时间可能发生日食和月食，这两段时间都称为“食季”，它们相距半年。

太阳每天在黄道上向东移动约1度，由于日食的食限为18度左右的范围，太阳从黄道和白道交点以西的18度运行到黄道和自道交点以东的18度，大约需要36天，也就是说日食的每一个食季为36天。对于月食而言，它的食限为12度左右，因此月食的每一个食季就只有24天。

2．日月食的发生机会

日食的一个食季是36天，这个天数比一个朔望月的平均长度29.53还要长。因此在一个日食的食季内必定会发生一次日食，也可能发生两次日食(如果食季中包含两个朔日的话)。由于一年大体有两个食季，所以，一年之中至少有两次日食发生，也可能有四次日食发生。

月食的一个食季为24天，这个天数比一个朔望月的平均大数29.53天还要短。因此在月食的一个食季内可能包含一个望月，也可能没有望月在内。也就是说，在这个食季内可能有一次月食发生，也可能连一次月食也不会发生。一年之中月食的食季也是有两个，所以在一年之中，可能有两次月食发生，也可能连一次月食也不会发生。

按照以上分析，一年之中日、月食的次数最多时可以达到六次，即四次日食和两次月食。但是实际上有时候一年之中的日、月食次数可以多达七次，即五次日食和两次月食，或者是四次日食和三次月食。如1935年就曾发生过五次日食和两次月食，将来的2160年也会是这样；1917年和1982年曾发生过四次日食和三次月食。那么，为什么一年之内的日、月食会多达七次呢？由于在太阳的引力作用下，黄道和白道的交点会不断地沿着黄道从东向西移动，每年约移动20度，这个方向与太阳沿黄道运行的方向相反，因此太阳在黄道上连续两次通过同一交点所经历的时间间隔(这个间隔叫“食年”)比一年(365.2422天)要短，只有346.62天，要约少19天。这样就会产生两种情况：一种情况是一年365.2422天之内，包含了两个完整的食季和一个不完整的食季。比方说第一个食季开始于1月初，那么经过346.62天一个食年之后，第三个食季就会在同一年的12月中旬开始，在这种情况下就可能发生五次日食和两次月食；另一种情况是一年365.2422天之内，包含了两个不完整的食季(一个在年头，一个在年尾)和一个完整的食季，在这种情况下就可能发生四次日食和三次月食。

综上所述，我们可以把一年中日、月食所可能发生的次数归纳如下：一年中日、月食最少有两次，而且这两次都是日食；一年中可能一次月食都不会发生(如1980年)；一年中日、月食最多可以有七次：五次日食和两次月食(例如1935年，将来的2160年也会是这样)，或者是四次日食和三次月食(例如1917年和1982年)。由此可见，地球上日食每年最多发生5次，最少2次，平均为2.4次；月食（单考虑本影月食）一年中可能一次都没有，最多发生三次，平均为1.5次。一般说来，最常见的情况是一年中有四次日、月食：两次日食和两次月食(如2008年)。

上面这些情况只是对全地球来说的。至于对地球的某个地点而言，一年内能看到日、月食的机会就要少得多，且日、月食的发生频率也差异很大。

3．日月食的观察机会

从上面的数字来看，一年中日食发生的次数要比月食发生的次数多，但实际情况却是人们看到月食的机会要比看到日食的机会多。这是由于月食发生时，一是可观察月食的区域范围较大，背着太阳的那半个地球上的人都可以看到；二是可观察月食的时间长度也较长，因地球的半径较大，月球轨道处的地影宽达9000多千米，在一次月全食的过程中，月球以平均每秒1千米的速度穿过地影，大约需要3个多小时。而在日食发生时，月球的影锥只扫过地球上一个狭窄的地带，只有在这部分地区的人才能看到日食，尤其是日全食发生时，全食带的范围更小（如图4所示），宽度只不过二三百千米（最大直径可达270千米），可看到的地方非常有限，因此只有很少的一部分人才能看到；每次日食全过程最长是两个多小时，而日全食的时间最长仅7分多钟。据统计，对于地球上某一固定地点而言，看到月食的机会是发生月食次数的一半，平均每三、四年就能逢到一次月全食；但看到日食的机会要少的多，平均每3年左右才可以看到一次日偏食，日全食要平均每300年才能遇上一次。所以，世上有许多人，终其一生也未曾遇见过日全食的景象。

图3 日食带示意图

4．日月食的周期性

由于地球绕太阳和月球绕地球的公转运动都有一定的规律，因此日食和月食的发生也具有其循环的周期性。早在古代，巴比伦人根据对日食和月食的长期统计，发现了日食和月食的发生有一个223个朔望月的周期。这个223个朔望月的周期便被称为“沙罗周期”，“沙罗”就是重复的意思。

223个朔望月等于6585.3天(223×29.530588)，即18年零11.3天，如果在这段时间内有5个闰年，那就是18年零10.3天。在这段时间内，太阳、月亮和黄白交点的相对位置在经常改变着，而经过一个沙罗周期之后，太阳、月亮和黄白交点差不多又回到原来相对的位置，因此便会出现同上一次情况相类似的日、月食。例如1981年7月31日发生日全食，18年零11天以后在1999年8月11日也要发生日全食。但223个朔望月并不恰好等于19交点年，还有0.5天的差；223个朔望月也并不恰好等于整天数，还有0.3天的差数。因此，经过一个沙罗周期以后，在地面上看到的日食的情况也有变化。看到日食的区域也并不跟上一次看到日食的区域相同。

在我国汉代也发现日、月食具有一个135个朔望月的周期。135个朔望月等于3986.6天，约等于11年少31天，也就是说日、月食每过11年少31天重复发生一次。例如1981年7月31日发生日全食，135个朔望月以后在1992年6月30日也会发生日全食。这个循环周期记载在汉代的“三统历”中，因此也称为“三统历周期”。

此外，人们还发现日、月食还有其他的循环周期。比如以358个朔望月为周期的纽康周期(合29年少20日)，以235个朔望月为周期的米顿周期(合19年)等等，但这些周期都是非常粗略的，只能粗略地推算出日、月食发生的日期，并不能确定日、月食发生的准确时刻，食分的大小和见食的地区。准确的日、月食发生的时间以及交食情况，需要经过专门的严格推算，这已经是属于相当专门的历书天文学中“食论”的研究范围了。我国紫金山天文台就担负着日、月食预报的工作。