□ 問(wèn) 天

淺談地月運(yùn)動(dòng)及相關(guān)天象

□ 問(wèn) 天

Apollo-11的航天員及實(shí)驗(yàn)設(shè)備在月球表面

地球是人類的家園，這里有高山，有大海，有森林，也有沙漠。植物在這里開(kāi)花結(jié)果，動(dòng)物在這里繁衍生息，它是一個(gè)生機(jī)勃勃的星球。月球是地球唯一的衛(wèi)星，它是距離地球最近的天體。但是，月球上沒(méi)有水、沒(méi)有空氣，也沒(méi)有生命，月球是一個(gè)荒蕪寂寥的世界。1959年9月，蘇聯(lián)發(fā)射月球2號(hào)探測(cè)器首先登陸月球。1969年7月，美國(guó)發(fā)射的阿波羅11號(hào)成功登陸月球，并將兩名航天員尼爾·阿姆斯特朗和巴茲·奧爾德林送上月球，成為人類歷史上最早登陸月球的人。2013年12月2日，我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射嫦娥三號(hào)探測(cè)器，于12月14日嫦娥三號(hào)探測(cè)器在月球虹灣地區(qū)成功著陸并開(kāi)展了一系列科學(xué)探測(cè)試驗(yàn)。將來(lái)，月球或許會(huì)成為人類的第二個(gè)家園。以月球?yàn)榛?，總有一天，人類還會(huì)飛向更加遙遠(yuǎn)的宇宙空間。回首歷史，我們可以發(fā)現(xiàn)，人類對(duì)宇宙天體的認(rèn)識(shí)，首先起始于觀察地球-月球的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及其所產(chǎn)生的天文現(xiàn)象。

月球地平線附近的地球，Apollo-8探測(cè)器拍攝

地球自轉(zhuǎn)與周日視運(yùn)動(dòng)

自古以來(lái)，人們就發(fā)現(xiàn)，早晨太陽(yáng)從東方升起，傍晚向西方落下。夜幕降臨，明月和無(wú)數(shù)的星星同樣?xùn)|升西落。這些現(xiàn)象日復(fù)一日，年復(fù)一年。通過(guò)這種直觀的觀察，先輩們認(rèn)為，地球似乎處于靜止不動(dòng)的狀態(tài)，好像是宇宙的中心，太陽(yáng)和星辰都在不停地圍繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)。這也是古時(shí)候托勒密地心說(shuō)的主要觀點(diǎn)。直到16世紀(jì)，哥白尼提出日心學(xué)說(shuō)，人類才真正認(rèn)識(shí)到地球自身也在運(yùn)動(dòng)，它一方面繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，一方面繞通過(guò)地球中心的軸自轉(zhuǎn)。

相對(duì)于個(gè)人的活動(dòng)范圍而言，作為天體的地球是非常龐大的，它的直徑超過(guò)一萬(wàn)兩千公里。生活在地球表面狹小區(qū)域的人，根本無(wú)法感知地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。不僅如此，物體的運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的。坐在高速奔馳的汽車或火車上的人，向窗外望去，感受到兩旁的樹(shù)木飛快地向后運(yùn)動(dòng)，這是將與人同行的汽車和火車作為靜止參照物引起的。如今，我們已經(jīng)知道了地球運(yùn)動(dòng)和天體運(yùn)動(dòng)的真實(shí)面目，地球每天自西向東自轉(zhuǎn)一周，地球人觀察的宇宙天體則是年年日日重復(fù)的東升西落運(yùn)動(dòng)，這僅僅是一種視覺(jué)現(xiàn)象。因此，天文學(xué)家把天體的這種直觀上的運(yùn)動(dòng)稱為周日視運(yùn)動(dòng)。

天體的周日視運(yùn)動(dòng)在天空中的軌跡是平行于天赤道的弧線，這是地球自轉(zhuǎn)的直接反映。喜愛(ài)拍攝星軌的朋友對(duì)此會(huì)有切身的感受。通過(guò)漫長(zhǎng)的歷史，由天體周日視運(yùn)動(dòng)認(rèn)識(shí)到地球自轉(zhuǎn)是人類認(rèn)識(shí)宇宙的重要進(jìn)展。

宇宙中藍(lán)色的星球——地球

在美國(guó)馬薩諸塞州一個(gè)燈塔處拍攝的星軌，總曝光時(shí)間30分，拍攝者：Chris Cook

地球公轉(zhuǎn)與斗轉(zhuǎn)星移

北天極附近的大熊座與小熊座，不同季節(jié)北斗七星的斗柄指向不同

愛(ài)好觀看星空的人一定知道，不同季節(jié)看到的夜空中的星座是不同的。夏季，天鷹座、天琴座和天鵝座等星座中的亮星在銀河附近光彩奪目；冬季，獵戶座、雙子座和大犬座等星座中的眾多亮星更是熠熠生輝。在晚上固定時(shí)間，我們對(duì)星空進(jìn)行更仔細(xì)的觀測(cè)會(huì)發(fā)現(xiàn)，恒星在天球上每天比前一天向西移動(dòng)約59.1分。隨著日期變化，星座在夜空中不停地移動(dòng)，產(chǎn)生了我們常說(shuō)的四季星空。地球圍繞太陽(yáng)沿橢圓軌道公轉(zhuǎn)，每年（365.24天）公轉(zhuǎn)一周，即360度，折算到每天為0.986度，也就是59.1分。這正是晚上看到的星座每天移動(dòng)的數(shù)值，地球公轉(zhuǎn)產(chǎn)生四季星空變化。

我國(guó)民間有一段諺語(yǔ)：“斗柄東指，天下皆春；斗柄南指，天下皆夏；斗柄西指，天下皆秋；斗柄北指，天下皆冬?！倍繁侵溉藗兂Ｕf(shuō)的北斗七星組成的大勺子的勺把，它由三顆星組成。一年四季中斗柄方向的變化，是由于處在地球公轉(zhuǎn)軌道的不同位置觀看北斗七星引起的，是地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的反映。不過(guò)，在北半球的人看來(lái)，北極星（小熊座α）在夜空的位置基本不隨季節(jié)變化。這告訴我們，地球在圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的過(guò)程中，它的自轉(zhuǎn)軸始終指向北極星附近。

夜空中除了恒星，還可以看到太陽(yáng)系內(nèi)的行星，同地球一樣這些行星也在圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，這使得在地球上看來(lái)，行星在恒星背景上的位置不斷變化，粗略地看上去夜空中行星的運(yùn)動(dòng)似乎沒(méi)有規(guī)律。正是早期天文學(xué)家對(duì)行星運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)研究，使得人類認(rèn)識(shí)了太陽(yáng)系天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了開(kāi)普勒三定律和萬(wàn)有引力定律。

小熊座α不會(huì)永遠(yuǎn)是北極星

地球自轉(zhuǎn)及自轉(zhuǎn)軸進(jìn)動(dòng)示意圖

北極星是小熊座α，中文名稱勾陳一，是一顆二等星，在夜空中比較明亮。因此，夜晚用它來(lái)辨別方向非常方便，它是生產(chǎn)生活中十分有用的一顆星。我們說(shuō)，一年四季北極星在夜空的位置基本不變，也就是地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)自轉(zhuǎn)軸始終指向北極星附近。其實(shí)這是一個(gè)粗略的說(shuō)法，這種說(shuō)法只在一定的年代范圍內(nèi)正確。據(jù)我國(guó)古書記載，公元前3000年的北極星是天龍座α（紫微垣右樞星）。據(jù)天文學(xué)家推算，公元7000年的北極星會(huì)是仙王座α，中文名稱天鉤五；公元10000年北極星為天鵝座α，中文名稱天津四；公元14000年北極星變?yōu)樘烨僮?，中文名稱織女星。約25800年以后，地球人的北極星又重新變?yōu)樾⌒茏?。?shí)際上，目前地球北極的指向位置距離小熊座α不到1度，并以每年約15角秒的速度向北極星方向靠近，在公元2100年前后距離北極星最近，約28角分。

那么，為什么會(huì)出現(xiàn)北極星不斷變化的現(xiàn)象呢？這要從地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)說(shuō)起。地球自轉(zhuǎn)就像一個(gè)斜著身體轉(zhuǎn)動(dòng)的陀螺。如果將不轉(zhuǎn)動(dòng)的陀螺傾斜著放到平面上，它會(huì)馬上倒下；但是若存在自轉(zhuǎn)，那么陀螺并不會(huì)馬上倒下，而是在傾倒趨勢(shì)的作用下，一邊自轉(zhuǎn)一邊繞垂線方向搖擺著晃動(dòng)。同樣，地球也在自轉(zhuǎn)；而且，地球并不是一個(gè)密度分布對(duì)稱的正球體，在赤道區(qū)域略有隆起。太陽(yáng)和月亮對(duì)地球隆起部分的附加作用力，使得地球赤道面向黃道面（地球公轉(zhuǎn)軌道面）方向重合。地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的慣性使赤道面和黃道面夾角保持不變，卻使地球自轉(zhuǎn)軸繞垂直于黃道面的軸搖擺著晃動(dòng)，即地球的進(jìn)動(dòng)。地球進(jìn)動(dòng)造成地球自轉(zhuǎn)軸指向在星空中周期性變化。地球的這種進(jìn)動(dòng)又被稱為日月歲差。

地球進(jìn)動(dòng)中自轉(zhuǎn)軸指向在星空的運(yùn)行軌跡，圖中黃色數(shù)字為公元紀(jì)年年代

日長(zhǎng)變長(zhǎng)與明月變小

白天，不管天氣是晴還是陰，人們都會(huì)在不同的崗位工作；夜晚，絕大多數(shù)人會(huì)臥床休息。自古至今，年年如此，月月如此。白天和黑夜共24小時(shí)構(gòu)成一日，地球自轉(zhuǎn)一周，從前人們以為這是一件亙古不變的事實(shí)。然而，20世紀(jì)以來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，觀測(cè)精度不斷提高，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)地球自轉(zhuǎn)速率在非常緩慢地變小。

在地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)速率不變的情況下，自轉(zhuǎn)變慢意味著一個(gè)回歸年中的天數(shù)必然減少。科學(xué)家對(duì)古代長(zhǎng)期日月食的記載資料和古珊瑚化石進(jìn)行細(xì)致分析，結(jié)果表明：6億多年以前地球上的一年約424天；2.8億年前一年約為390天，如今一年的天數(shù)為365.2422天。日長(zhǎng)每100年約增加0.0018秒。科學(xué)家認(rèn)為引起地球自轉(zhuǎn)長(zhǎng)期變慢的主要原因是，月球?qū)Φ厍虻某毕Σ磷饔?。這種作用還產(chǎn)生另一個(gè)變化，使得月球距離地球越來(lái)越遠(yuǎn)，在這種情況下，天空中的明月看上去會(huì)越來(lái)越小，直到天的長(zhǎng)度跟月的長(zhǎng)度相等為止。

月相與月球運(yùn)動(dòng)

“人有悲歡離合，月有陰晴圓缺”是北宋詩(shī)人蘇軾的作品《水調(diào)歌頭》中的兩句?！霸掠嘘幥鐖A缺”是指天空中月亮的形狀不斷變化，不同的月亮形狀稱為月相。農(nóng)歷每月初一，我們看不到月亮，此時(shí)的月相稱為“朔”；農(nóng)歷每月初二或者初三，隨著太陽(yáng)落下夜幕降臨，在西方偏南地平線上較低的天空，會(huì)看到彎彎的細(xì)細(xì)的月牙，此時(shí)的月相為“蛾眉月”；隨后幾天月牙逐漸變寬，而且日落時(shí)蛾眉月的位置逐漸東移，高度也隨著上升；一般在農(nóng)歷初七初八，月亮的形狀基本變?yōu)榘雸A，且凸邊向西，稱為“上弦月”,日落時(shí)上弦月在正南方，且地平高度最高；接下來(lái)的幾天，日落時(shí)月亮的位置依舊逐漸東移，但高度逐漸降低，形狀由半圓變?yōu)槎喟雸A，此時(shí)稱為“凸月”；農(nóng)歷每月十五，太陽(yáng)西邊落山，月亮則東方升起，此時(shí)是一輪圓月，稱為“望”；此后的月亮升起的時(shí)刻越來(lái)越晚，形狀由完整的圓形逐漸收縮，西半邊逐漸殘缺，不過(guò)仍為“凸月”；農(nóng)歷每月二十二或者二十三，子夜時(shí)分月亮才會(huì)升起，此時(shí)為凸邊朝東的“下弦月”；隨后幾天，月亮后半夜升起，形狀不足半圓，且逐漸變窄，稱為“殘?jiān)隆保酉聛?lái)農(nóng)歷月末一天或下月初一又回到整夜不見(jiàn)月亮的日子。

以遙遠(yuǎn)的恒星（假定恒星不動(dòng)）為參照物，月球每27.32天繞地球公轉(zhuǎn)一周。月相完成一個(gè)變化周期為一個(gè)“朔望月”，月相變化是地球、月球和太陽(yáng)三者的位置關(guān)系決定的，月球圍繞地球公轉(zhuǎn)時(shí)，地球同時(shí)圍繞太陽(yáng)自西向東公轉(zhuǎn)。以太陽(yáng)作參照物，月球繞地球公轉(zhuǎn)一周（360度）需29.53天，也就是一個(gè)朔望月的時(shí)間。由此算來(lái)，月球每天繞地球轉(zhuǎn)過(guò)12.2度，這正是每晚固定時(shí)刻觀看，月球比前一天向東移動(dòng)的角度。

太陽(yáng)、地球和月亮的位置關(guān)系及月相的形成

看上去時(shí)大時(shí)小的月球

我們都有這樣一種印象，農(nóng)歷每月十五前后，當(dāng)月亮從東方的地平線剛剛升起，它的圓面看上去非常大，當(dāng)月亮遠(yuǎn)離地平線高高升起以后，它的圓面似乎“減小了”許多。實(shí)際上，這主要是一種背景對(duì)比產(chǎn)生的錯(cuò)覺(jué)?？墒?，有時(shí)電視和報(bào)紙報(bào)道：某天夜晚的月亮是一年中或者多少年以來(lái)看上去最大的月亮。這又是怎么回事呢？

2012年月球在近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)附近的兩次滿月，月球的視大小差別明顯

永遠(yuǎn)朝向地球的月球半球面

月亮是地球的衛(wèi)星，它圍繞地球公轉(zhuǎn)的軌道是橢圓，不是圓。在橢圓軌道上，月球距離地球中心最遠(yuǎn)時(shí)為405500千米，距離地球最近時(shí)為363300千米，平均距離為384400千米。月球與地球的最大距離與最小距離相差42200千米，可見(jiàn)月球的公轉(zhuǎn)軌道“扁”得很顯著。這樣一來(lái)，假設(shè)月球位于天頂，地面上的觀察者在兩種情況下看到的月球大小分別為：最遠(yuǎn)時(shí)月亮距觀測(cè)者的距離405500－6400=399100千米，6400千米為地球半徑，月亮視直徑為29.50角分；最近時(shí)月亮距觀測(cè)者的距離363300－6400=356900千米，月亮視直徑為33.52角分。兩者相差4.02角分，變化率達(dá)13%。不過(guò)，一般情況下，月亮看上去最大或最小的發(fā)生日期間隔很長(zhǎng)，而且月亮視大小是連續(xù)變化的，所以人們直觀上分辨不出這兩種差別，只有通過(guò)照相的辦法才能給出對(duì)比。

還有兩種情況造成月球視大小不同。其一，同一天月球分別位于東方地平線附近和天頂附近。地平線附近的月亮，視直徑略??；天頂附近的月亮，視直徑則略大。按照地月平均距離384400千米計(jì)算，月球位于天頂時(shí)，距離384400－6400=378000千米，月球的視直徑為31.65角分；月球位于東方地平線附近時(shí)，距離384400千米，月球的視直徑為31.12角分。但是，這種視大小的實(shí)際不同往往被背景對(duì)比造成的假象掩蓋。其二，冬季和夏季月亮上升的高度不一樣，冬季月亮升得更高一些，冬至日前后月球升得最高，導(dǎo)致此時(shí)月球看上去更大一點(diǎn)。不過(guò)，這兩種情況引起的月球視大小變化并不顯著。

“不變的”月球面孔

喜愛(ài)天文觀測(cè)的人，對(duì)星空和月亮一定不會(huì)陌生。盡管農(nóng)歷一個(gè)月之中，月相由月牙到圓月、再到殘?jiān)虏粩嘧兓?，但是，月亮的面孔基本保持不變，并且千百年?lái)一直如此。根據(jù)月亮上不同明暗區(qū)域形成的圖案，民間產(chǎn)生了“吳剛伐桂”、“嫦娥奔月”和“玉兔搗藥”等各種傳說(shuō)。隨著近代天文學(xué)的發(fā)展，人們已經(jīng)知道了月球面孔不變的原因。1693年意大利裔法國(guó)天文學(xué)家卡西尼根據(jù)觀測(cè)得出，月球在圍繞地球公轉(zhuǎn)的同時(shí)也在勻速自轉(zhuǎn)，它的自轉(zhuǎn)周期與公轉(zhuǎn)周期相等，同為27.32天；這一現(xiàn)象稱為同步自轉(zhuǎn)，導(dǎo)致月球基本以同一個(gè)半球面朝向地球。

永遠(yuǎn)背向地球的月球半球面

“在地球上，人們永遠(yuǎn)只能看到月球朝向地球的半球面，不能看到背向我們的半球面。”從嚴(yán)格意義上講這句話并不正確。天文學(xué)家經(jīng)過(guò)仔細(xì)觀測(cè)，指出地球上的人們可以看到月球整個(gè)球面的59%。在某一日期的某一時(shí)刻只能看到月球表面的50%，其中的41%是一直可見(jiàn)的，另外9%的部分，在不同日期的不同時(shí)刻是月球可見(jiàn)半球面圓周鄰近區(qū)域的不同部分，累計(jì)算來(lái)共可看到月球整個(gè)球面的59%。

造成上述結(jié)果的原因主要有三種。

1月球自轉(zhuǎn)速度比較均勻，但是月球公轉(zhuǎn)軌道是橢圓，月球在公轉(zhuǎn)軌道上的運(yùn)動(dòng)速度并不均勻，地球位于橢圓軌道的一個(gè)焦點(diǎn)上；在一個(gè)月球公轉(zhuǎn)周期中，月球在軌道上的不同位置時(shí)，月球朝向地球的半個(gè)球面略有不同。變化部分主要在月球的東西兩側(cè)，變化幅度可以達(dá)到經(jīng)度7°54′。

地球月球公轉(zhuǎn)軌道及自轉(zhuǎn)傾角示意圖

2由于月球的赤道面和公轉(zhuǎn)軌道面（白道面）存在6°41′的夾角，在公轉(zhuǎn)軌道的不同位置，從地球上可以看到月球南北極地區(qū)的不同部分，變化幅度為月球的赤道與白道夾角。

3由于地球與月球的距離較近，由于視差效應(yīng)，地球上不同地點(diǎn)看到的月球半球面略有不同。

除了上述三個(gè)因素外，月球本身并不是均勻的正球體，它的自轉(zhuǎn)軸也會(huì)擺動(dòng)，這使得月球朝向地球的半球面會(huì)有略微的變化。這種原因造成的月球可見(jiàn)半球面變化比前面三種因素要小許多。

日食與月食

地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，每年365.26天旋轉(zhuǎn)一周，地球的軌道平面被稱為黃道。月亮圍繞地球公轉(zhuǎn)，每27.32天轉(zhuǎn)動(dòng)一周，月亮的公轉(zhuǎn)軌道面稱為白道。白道與黃道之間的夾角略有變化，平均為5°9′。由于地球和月球的軌道運(yùn)動(dòng)，如果地球、月球和太陽(yáng)恰好位于同一條直線上，月球處在地球和太陽(yáng)之間時(shí)，在地球上某區(qū)域便會(huì)發(fā)生日食現(xiàn)象；當(dāng)?shù)厍蛱幱谠虑蚝吞?yáng)之間時(shí)，地球上的人們則會(huì)看到月食現(xiàn)象。日月食現(xiàn)象并不是頻繁地發(fā)生，但是，數(shù)百數(shù)千年來(lái)，通過(guò)對(duì)這兩種天文現(xiàn)象觀測(cè)，天文學(xué)家得到了關(guān)于地球、月球、太陽(yáng)以及其他天體的許多秘密。

2014年4月15日本地時(shí)間上午3:55在美國(guó)加利福尼亞州拍攝的月全食照片，拍攝者：James. W. Young

（責(zé)任編輯 張長(zhǎng)喜）