□ 星渺微塵

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從金星凌日到水星凌日

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2016年5月9日，一次水星凌日天象即將上演。一提起凌日，想必大家還對(duì)前幾年的金星凌日記憶猶新，那么水星凌日和金星凌日有什么不同呢，它又有什么看點(diǎn)呢？下面我們就一起來探究關(guān)于凌日的那些奧秘。

什么是凌日

漢語中，“凌”有穿過、經(jīng)過的意思，那么凌日指的就是小一些的天體穿過日面的現(xiàn)象。如果是一個(gè)與太陽看上去差不多大的天體穿過太陽，我們就不說“凌”了，而是稱之為“食”。例如月球擋住太陽就是日食，而不說“月球凌日”。如果前方的天體看起來比背景天體大很多，我們就稱為“掩”，例如月掩星。實(shí)際上，無論是“凌”“食”“掩”，都是一類天象，只不過產(chǎn)生的視覺效果不同。

相對(duì)比較常見的凌日是人造天體凌日，如著名的國際空間站凌日。這樣的凌日雖然時(shí)常發(fā)生，但人造天體移動(dòng)得太快，觀測(cè)的難度比較大。除此之外，我們能想到的其他凌日天體，也就是水星、金星這兩顆內(nèi)行星了。

位于地球公轉(zhuǎn)軌道內(nèi)側(cè)的行星只有水星和金星，所以我們?cè)诘厍蛏现荒芸吹竭@兩顆行星的凌日，外行星是不會(huì)凌日的。如果你能到火星上觀測(cè)，那就還有可能看到“地球凌日”。當(dāng)然，處于軌道更靠外的行星上，你能看到的凌日種類也就越多。但現(xiàn)在，我們先不考慮那么多，把思緒拉回到地球上，看看我們能觀測(cè)到的水星和金星凌日。

內(nèi)行星與外行星相對(duì)于太陽的運(yùn)動(dòng)示意圖

罕見的金星凌日

無論是水星凌日還是金星凌日，都只是一個(gè)小黑點(diǎn)，在數(shù)小時(shí)內(nèi)緩慢移動(dòng)穿過太陽表面。這類天象的精彩程度完全無法與日食相比，但為什么每次凌日媒體都會(huì)炒得沸沸揚(yáng)揚(yáng)，進(jìn)而引起全世界的廣泛關(guān)注呢？其中一個(gè)重要原因就是它們都很罕見。根據(jù)計(jì)算，水星凌日每百年大約發(fā)生13次，而金星凌日的頻率更是低到每百年不到2次。

內(nèi)行星在其公轉(zhuǎn)軌道上相對(duì)地球和太陽有四個(gè)特殊位置，分別是上合、東大距、下合、西大距。無論是水星還是金星，由上合經(jīng)東大距運(yùn)行到下合位置期間，它會(huì)在傍晚出現(xiàn)在西邊天空中，為昏星；而它繼續(xù)經(jīng)西大距回到上合位置過程中，會(huì)在早晨出現(xiàn)在東邊天空中，為晨星。在下合期間，內(nèi)行星位于地球和太陽之間，這就是可能發(fā)生凌日的時(shí)刻。

金星凌日的多張疊加照片

水星公轉(zhuǎn)周期為87.97天，金星距離太陽更遠(yuǎn)，繞日一圈需要將近224.65天，而地球則是365.25天。根據(jù)會(huì)合周期公式，我們可以計(jì)算出在地球上觀測(cè)，水星下合的間隔是115.93天，金星則長達(dá)583.92天。如果水星和金星的公轉(zhuǎn)軌道都與地球在同一個(gè)平面內(nèi)，那么每次下合都會(huì)發(fā)生凌日，凌日的周期也就是上面的會(huì)合周期。然而理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)卻很骨感，水星和金星的實(shí)際軌道并不與地球共面，這就是導(dǎo)致凌日非常罕見的直接原因。

2012年6月6日的金星凌日，凌始內(nèi)切。

我們先來看看金星凌日，雖然更為少見，但其規(guī)律卻要比水星凌日簡(jiǎn)單。日食有“食限”的概念，也就是說月球需要在黃白交點(diǎn)附近一定范圍內(nèi)，且趕上“朔”才會(huì)發(fā)生日食。凌日的情況與之類似，金星公轉(zhuǎn)軌道與黃道的夾角約為3.4°，也有升、降兩個(gè)交點(diǎn)，下合時(shí)金星與太陽的角距離最多可達(dá)8.9°，而太陽的視圓面不會(huì)超過30′，因此下合必須與交點(diǎn)非常接近才會(huì)發(fā)生凌日，我們可以把這個(gè)界限稱為“凌限”。金星凌日的凌限大約是1天多，也就是說下合與金星通過交點(diǎn)的精確時(shí)刻相差2天以內(nèi)，就會(huì)發(fā)生凌日。

假設(shè)某一時(shí)刻發(fā)生了金星凌日，即金星不僅處于下合位置，還在其軌道與黃道的某個(gè)交點(diǎn)上。而下次金星和地球再次回到同一位置時(shí)，肯定還會(huì)發(fā)生凌日。那么多長時(shí)間后它們會(huì)出現(xiàn)在同一個(gè)位置呢？金星和地球的運(yùn)動(dòng)是否存在更大的周期呢？我們只需要對(duì)金星公轉(zhuǎn)周期和會(huì)合周期取一個(gè)最小公倍數(shù)。當(dāng)然，這幾個(gè)數(shù)值都非常精確，取最小公倍數(shù)只能是在一定的精度上完成。相對(duì)粗略的公倍數(shù)是8個(gè)地球年，即2922天，相當(dāng)于13.007個(gè)金星年和5.004個(gè)會(huì)合周期。也就是說，一次金星凌日之前或之后的2922天，也會(huì)發(fā)生一次金星凌日。但由于已經(jīng)差了1天多，再向前或向后推8年，金星就會(huì)離交點(diǎn)更遠(yuǎn)，超過凌限，也就不會(huì)有凌日發(fā)生了。如果計(jì)算一個(gè)更精確的公倍數(shù)，我們會(huì)得到88757天。地球上的243年是88757.3天，金星公轉(zhuǎn)395圈是88756.9天，而152個(gè)會(huì)合周期是88755.8天。這個(gè)誤差更小，顯然是金星凌日更加穩(wěn)定的周期。在這個(gè)周期里，金星開始為兩個(gè)間隔8年的相同交點(diǎn)凌日，再間隔100多年出現(xiàn)兩個(gè)同樣間隔8年的另一個(gè)交點(diǎn)凌日，100多年之后又是一對(duì)同交點(diǎn)凌日，周而復(fù)始。

觀眾來到北京天文館觀測(cè)金星凌日

2 0 1 2年金星凌日觀測(cè)活動(dòng)工作人員合影

有一個(gè)很重要的問題，金星不同交點(diǎn)發(fā)生的凌日情況不同。近幾個(gè)世紀(jì)，金星降交點(diǎn)是在6月8日前后，升交點(diǎn)在12月10日前后。由于金星和地球的軌道都是橢圓，因此升、降交點(diǎn)發(fā)生凌日時(shí)兩者的距離不同，升交點(diǎn)平均為3900萬千米，降交點(diǎn)則為4300萬千米。相同情況下，金星距離我們?cè)竭h(yuǎn)的下合越容易發(fā)生凌日。因此在上面提到的正常周期下，6月的凌日不會(huì)缺席，而12月的凌日有時(shí)會(huì)出現(xiàn)金星只是從日面邊緣掠過的情況，地球上有些地方即使是在白天也觀測(cè)不到。但升交點(diǎn)凌日金星距離我們更近，視面積會(huì)大一些，觀測(cè)效果更好。好消息是下一次金星凌日就是升交點(diǎn)凌日，壞消息是它將發(fā)生在2117年12月11日。

水星凌日

說了半天金星凌日，我們大家今生可能都無緣再看了，而水星凌日確實(shí)近在眼前。

水星凌日發(fā)生的條件與金星凌日相同，即“交點(diǎn)附近的下合”，但它出現(xiàn)的頻率更高，主要由以下兩方面因素導(dǎo)致。首先，水星的會(huì)合周期比金星短，每年都會(huì)有3次下合，因此更容易趕上其穿過軌道交點(diǎn)的時(shí)刻。其次，雖然水星軌道與黃道面的夾角可達(dá)7°，但它距離地球更遠(yuǎn)，下合時(shí)平均也有9300萬千米，凌限反而更大，即更容易發(fā)生凌日。但水星公轉(zhuǎn)軌道受太陽影響很大，除了傾角大以外，偏心率也很大。地球和金星的軌道雖然并非正圓，但十分近似，而水星的軌道偏心率大于0.2，為行星中最大的。因此水星凌日的規(guī)律非常復(fù)雜，大致為平均每百年出現(xiàn)13次。水星的降交點(diǎn)是在5月8日前后，升交點(diǎn)是在11月10日前后，通過升交點(diǎn)時(shí)的水星距離地球更遠(yuǎn)，發(fā)生凌日的概率也更大。在近50次水星凌日中，發(fā)生在11月的有35次，而5月的則只有15次。

說到這兒大家就應(yīng)該明白了，5月的水星凌日幾乎和金星凌日一樣罕見了。如今年這次之后，下個(gè)5月水星凌日要等到2049年了。很少有人一生中能看到兩次金星凌日，而能看到兩次以上5月水星凌日的人也是鳳毛麟角。

水星凌日示意圖

凌日的觀測(cè)

下合期間是金星距離我們相對(duì)較近的時(shí)段，其大小已經(jīng)接近了人的肉眼分辨能力，早在望遠(yuǎn)鏡發(fā)明之前人們就關(guān)注過金星凌日天象。但即便如此，在升交點(diǎn)凌日期間金星的視面積也不過1′多一點(diǎn)，如果不是對(duì)其運(yùn)行規(guī)律有很精確的計(jì)算，再配上極佳的視力，很難把它和太陽黑子區(qū)分開來。最早關(guān)于金星凌日的記錄來自阿拉伯科學(xué)家法拉比，他在一張羊皮紙上寫道：“我看見了金星，它像太陽面龐上的一粒胎痣。”據(jù)推算，他看到的是發(fā)生在公元910年11月24日的金星凌日。當(dāng)然，他也極有可能是將太陽黑子誤認(rèn)成了金星。第一個(gè)將金星軌道精確計(jì)算并預(yù)測(cè)金星凌日的是天文學(xué)家開普勒，但由于存在誤差，他預(yù)報(bào)的1631年的凌日在歐洲并沒有被觀測(cè)到。之后1639年的金星凌日是人類首次使用天文望遠(yuǎn)鏡對(duì)其進(jìn)行科學(xué)觀測(cè)。

在觀測(cè)凌日方面，筆者算是幸運(yùn)兒，此前已經(jīng)成功看到了兩次金星凌日和一次水星凌日，并且兩次金星凌日是在同一個(gè)地點(diǎn)觀測(cè)的。2004年，剛剛?cè)肼毐本┨煳酿^，筆者趕上的第一個(gè)大型觀測(cè)活動(dòng)就是6月8日的金星凌日。那次凌日具有劃時(shí)代的意義，因?yàn)樵僦暗囊淮问?882年，可以想象這120多年里人類社會(huì)的發(fā)展變化是多么巨大。19世紀(jì)時(shí)的天文觀測(cè)也就是個(gè)別人和個(gè)別地區(qū)的行為，而2004年的金星凌日已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全球網(wǎng)絡(luò)直播。遺憾的是，當(dāng)時(shí)筆者的觀測(cè)僅限于肉眼，并沒有留下哪怕一張照片。2012年6月6日清晨，天空中烏云密布，但筆者還是早早來到了北京天文館，架好望遠(yuǎn)鏡，等待日出后的入凌。那次的運(yùn)氣非常好，雖然天氣預(yù)報(bào)比較悲觀，許多同事也紛紛離京前往其他地區(qū)觀測(cè)。但在入凌過程和中段的大部分時(shí)間，太陽還是從云縫中探出頭來，也有數(shù)百名觀眾專程來到天文館觀測(cè)這次凌日。這兩次凌日期間，金星的角直徑都接近58″，可以在佩戴太陽觀測(cè)鏡的情況下直接用肉眼看到。

筆者在觀測(cè)水星凌日

水星的半徑只有2440千米，甚至比木衛(wèi)三、土衛(wèi)六還要小，并且同樣是下合期間，它比金星距離還遠(yuǎn)，視面就更小了，所以觀測(cè)水星凌日是離不開望遠(yuǎn)鏡的。但望遠(yuǎn)鏡和太陽之間，絕不能那么直接面對(duì)，必須采取減光措施，在望遠(yuǎn)鏡物鏡端罩上巴德膜，是最簡(jiǎn)單和安全的方式。通常大家能買到的巴德膜是A4紙大小，需要對(duì)其進(jìn)行剪裁，在硬紙板上開好適合望遠(yuǎn)鏡口徑大小的洞，然后用透明膠將巴德膜的邊緣牢牢粘在紙板上，這樣才能適用于你的望遠(yuǎn)鏡。有的人可能會(huì)覺得，日出之后不久和日落之前的太陽并沒那么耀眼，是不是就不用減光啦？事實(shí)上，望遠(yuǎn)鏡對(duì)光的匯聚能力很強(qiáng)，當(dāng)你長時(shí)間盯著目鏡中的太陽看時(shí)，視網(wǎng)膜實(shí)際上在持續(xù)受到灼燒的傷害，往往感覺到疼痛就為時(shí)已晚了。因此，在觀測(cè)太陽時(shí)大家一定要注意采取減光措施，即便是在透明度很差、太陽光確實(shí)很暗的情況下，可以嘗試用相機(jī)拍攝，也盡量不要用肉眼直接看。

2006年11月9日的水星凌日，水星（日面右上邊緣）即將移出之前。

巴德膜

2006年11月9日清晨，北京天文館的工作人員和一些天文愛好者來到位于北京南郊的南海子麋鹿苑，對(duì)21世紀(jì)首次升交點(diǎn)水星凌日進(jìn)行了觀測(cè)，當(dāng)時(shí)的情景令人至今難忘。日面上的水星只是一個(gè)很小的點(diǎn)，不仔細(xì)觀察很容易和黑子相混淆。那次水星距離地球約1億千米，角直徑只有13″左右，不使用望遠(yuǎn)鏡是根本看不到的。而且在北京只能看到帶凌日出，也就是凌日過程最后很小的一段。盡管如此，大家依然興致高昂，進(jìn)行了照相和攝像觀測(cè)。

時(shí)光飛逝，一晃九年，水星凌日再次回到了我們的視野。作為降交點(diǎn)凌日，這次的觀測(cè)條件稍好，水星的角直徑接近16″。在天文學(xué)家看來，水星凌日依然是研究太陽、水星及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的好機(jī)會(huì)。但水星凌日并非能給我們帶來震撼的天象。本次凌日，我國可見的區(qū)域主要在西部，且越往西見凌時(shí)間越長。小型的雙筒望遠(yuǎn)鏡都比較難看清水星，這意味著你需要攜帶一臺(tái)較大口徑的望遠(yuǎn)鏡，因此非專業(yè)人員長途跋涉去觀測(cè)水星凌日似乎不太值當(dāng)。但對(duì)于不想錯(cuò)過任何一次凌日的你來說，又有什么是不可能的呢？

（責(zé)任編輯 張恩紅）