日食

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日食發生時太陽、月球和地球的位置(不依照實際比例)
1999年8月11日的日全食

日食,又寫作「日蝕」,是一種天文現象,只在月球運行至太陽地球之間時發生。這時,對地球上的部分地區來說,月球位於太陽前方,因此來自太陽的部分或全部光線被擋住,看起來好像是太陽的一部分或全部消失了。日食只在,即月球與太陽呈現的狀態時發生。

日食分為四種,包括日全食、日環食、日偏食及全環食,其中較罕見的是全環食,只發生在地球表面與月球本影尖端非常接近的情形下,這時不同地區會出現日偏食、日全食和日環食三種不同的日食。日全食是一種相當壯麗的自然景象,所以經常吸引許多遊客和天文愛好者特地到海外去觀賞日全食。例如,在1999年8月11日日食發生在歐洲的日全食,吸引了非常多觀光客特地前去觀賞,也有旅行社推出專門為這些遊客設計的行程。

原理[編輯]

日食一定發生在,即農曆初一當日[1]。此時月球位於地球和太陽之間時,但因地球軌道(黃道)與月球軌道(白道)成5°9′交角,故並非每次朔日皆有日食發生,而日食發生時,日月兩者皆一定在「黃白交點」(升交點降交點)附近。

說文》說「日食則朔,月食則望」,唐代詩人盧仝的詩句「望日食月月光滅,朔月掩日日光缺」,即講述月食發生於,日食發生於的道理。

理論上日全食則只發生在月亮的遠日區。根據計算,月亮的遠日點與太陽的遠日點同時發生時,地球能夠觀看全日食窗口的寬度約208公里,月亮的遠日點與太陽的近日點發生時,地球能夠觀看全日食窗口的寬度約100公里(只有本影區而無半影區)。至於月球在近日點時,地球每一個角落就都只能觀測到日環食,也就是太陽的半影區與本影區重疊。

種類[編輯]

A 本影區出現日全食。
B 偽本影區出現日環食。
C 半影區出現日偏食

日食可以分為四類:

  • 日全食:太陽比月球寬400倍,但離地球也是400倍遠。[2]由於對稱的緣故,月球的暗影,也就是落在地球表面的陰影,寬度正好可以遮住整個太陽。太陽光球完全被月亮遮住,原本明亮的太陽圓盤被黑色的月球陰影遮蓋。然而,也只有在日全食發生時才可能用肉眼觀測到模糊的日冕。日全食只在月球位於近地點時發生,此時月球的本影錐長度較月地之間距離長,本影錐才能掃到地球表面。由於太陽的實際體積比月球大很多,所以日全食通常只能在地球上一塊非常小的區域見到,因為月亮的本影對太陽來說只是一個小點。(在全食區之外,所見的食相是偏食)。最近一次日全食發生於2012年11月13日,下一次的日全食將發生於2015年3月20日
  • 日偏食:中國史書上稱「日有食之,不盡如勾」,造成日偏食的原因是因為觀測者落在月球的半影區中,觀測者會看見一部分的太陽被月球的陰影遮蓋,但另一部分仍繼續發光。太陽和月球只有部分重合,依據兩者中心的視距離遠近(太陽被月球遮蓋的最大直徑)來衡量食的大小。通常日偏食是伴隨著其他食相發生,如日全食或日環食或日全環食。但發生在極區的某些日食會是單純的日偏食(不伴隨其他食相),這是因為月球與黃道面的距離稍遠,只有半影碰到地球表面,最近一次不伴隨其他食相的日偏食發生於2011年11月25日,下一次的不伴隨其他食相的日偏食將發生於2014年10月23日
  • 日環食:當月球處於遠地點時,月球的本影錐不能到達地球;到達地球的是由本影錐延長出的偽本影錐。此時月球的視直徑略小於太陽。因此,這時太陽邊緣的光球仍可見,形成一環繞在月球陰影周圍的亮環。(在環食區之外,所見的食相是偏食)。最近一次日環食發生於2014年4月29日,下一次的日環食將發生於2016年9月1日
日全環食的成因(不依照實際比例)
  • 全環食:全環食只發生在地球表面與月球本影尖端非常接近,或月球與地球表面的距離和月本影的長度很接近的情形下。由於地球為球體之關係,而本影影錐接觸地球時為日全食(常為在食帶中間),在食帶兩端由於影錐未能接觸地球,致只能有偽本影到達地球之下,所看到的是日環食。所以,當全環食發生時,隨著地月之間的相對運動,會先後出現環食→全食→環食,當然,對於某一個具體的地點來說,在一次日食過程中是不會同時看到全食和環食的。全環食發生機率甚少,最近一次全環食發生於2013年11月3日,下一次的全環食將發生於2023年4月20日

地球與太陽的距離約是地球與月球距離的四百倍,且太陽的直徑大小也約是月亮直徑大小的四百倍。在理論上,由於這兩個比例相當接近,我們由地球觀測太陽與月球時,兩者的大小應該大略相等,或著說他們的視直徑大約相等──差距應該侷限在0.5弧度左右。然而,由於月球及地球的公轉軌道都大約是橢圓形,造成我們觀測而得的月亮及太陽大小不固定。[3][4]

日全食和日環食在天文學中稱之為中心食,只要發生中心食,必然會發生日偏食。而當日出時,太陽已被食去(日食沒結束)時,當地發生日出帶食帶食日出,而日落時太陽還在被食(日食尚未結束)時則稱帶食日落日落帶食。另外月食有半影月食,但日食沒有半影日食[是偏食]。

時間和周期[編輯]

1001年至2000年的日全食路徑,顯示地球各處都可以(有機會)看見日全食。這張圖是由50張NASA的日食路徑圖合併而成的[5]

雖然平均每18個月地球就可以有些地區會發生日全食,但日全食仍是很罕見的[6]。據推算,在任何一個地點須平均要間隔370年才能看見一次日全食。因為月影向東移動的速度超過每小時1700公里,因此日全食在一個地點持續的時間只有幾分鐘。日全食持續的時間不會超過7分31秒,而一般都比較短:每一千年中超過7分鐘的日全食通常都少於10次。上次發生如此長的日全食是在1973年6月30日(7分3秒),利用協和式客機在日全食路徑的月球本影中飛行,將觀察日全食的時間延展到74分鐘。下一次超過7分鐘的日全食要到2150年6月25日才會發生。從西元前3000年至西元5000,這8,000年中,最長的日全食將發生在2186年7月16日,持續的時間為7分29秒。環食中,最長是1955年12月14日,是12分9秒。最短是2014年4月29日,是0.4秒。[7]做為比較,20世紀最長的日全食發生在1955年6月20日,持續了7分8秒。

如果知道一次日食的時間和地點,就有可能利用日食周期推測其他的日食。有兩個已知的周期是sarosinex。沙羅周期可能是最明和最精確的一個日食周期,依內克斯本身就不是個明確的周期,但是在日食周期的分類上非常有用。在一個沙羅序列完成後,新的序列會晚一個依內科斯周期才開始,它的名稱:in-ex,就是這樣來的。沙羅周期為6,585.3天(比18年略長一些),這意味著經過這個周期會發生幾乎相同的日食,但其中最顯著的差異是經度會偏移120度(由於0.3天的差),緯度也稍有變化。沙羅序列永遠以發生在地球極區的日偏食開始,然後經由一系列的日全食和日環食逐漸越過整個地球,並以日偏食在相對的另一個極區結束。沙羅序列的長度從1226年至1550年不等,序列中會發生69次至87次的食,其中大約40次至60次是中心食[8]

每年食的頻率[編輯]

每年會發生2次至5次的日食,每個食季至少發生一次。自從1582年創始格曆之後,曾發生5次日食的年份有1693、1758、1805、1823、1870、和1935年,下次將出現在2206年。5次日食幾乎都是偏食[9]

1935年的5次日食
1月5日 2月3日 6月30日 7月30日 12月25日
局部
(南)
局部
(北)
局部
(北)
局部
(南)
局部
(北)
SE1935Jan05P.png
Saros 111
SE1935Feb03P.png
Saros 149
SE1935Jun30P.png
Saros 116
SE1935Jul30P.png
Saros 154
SE1935Dec25A.png
Saros 121

最後的日全食[編輯]

因為偶然情況下組合的環境,地球上得以看見日食,甚至今天人類在地球上熟習的日食型式也是暫時的現象。在數億年之前,月球太靠近地球,以致只有如現今的日全食(沒有日環食)。而由於潮汐加速,月球環繞地球的軌道以每年增加3.8公分的速率遠離地球。估計在6億年之後,地球和月球的距離會增加23,500公里,這意味著,即使月球在近地點,地球在遠日點,月球仍不能完全遮蓋掉太陽的盤面[10]。因此,月球將會離地球太遠而不再發生日全食。

一個複雜的因素是太陽在這段期間的增加的大小,這樣就更導致月球不能引發日全食。

觀測與研究[編輯]

1999年8月11日發生的日食全過程,可以清晰看到各個日食食象,中間曝光較長
2002年人們在冰島觀測日食

日全食(全環食包含在此)的研究價值遠高於其他幾種日食,因為能完全掩蓋光球的強光,觀測日全食時,人們能直視色球層和日冕等太陽大氣,故觀測日全食是天文學家研究太陽大氣的大好時機。愛因斯坦關於太陽引力能使遠方背景恆星光線偏轉的預言就是通過對日全食的觀測得以進行驗證,但是由於理論推算的恆星角度偏差和由於實際觀測帶來的角度偏差在同一數量級,所以愛因斯坦的理論究竟是否被觀測驗證以及理論本身的真實性還在爭論之中;在日全食發生時,也是發現水內行星的機會,但到現在皆未能發現水內行星的存在。

日食的計算涉及到太陽和月亮運動的準確性,因此古代許多天文學家用它來驗證自己的曆法。1969年還有人利用公元2年以前的25次日食記錄來計算地球自轉速率的長期變化。另在日月食中也發現了沙羅周期

中國對日食的觀測[編輯]

中國是世界上最早觀測日食的國家之一,從最早關於日食的文字記載至今已有四千多年。[11]記錄於夏代中康時期(公元前2137年)的「書經日食」是世界上最早的日食記錄。

漢朝京房發明以盆盛水觀測日食,從而避免直視太陽被日光灼傷危險。此後有用油代水進一步減輕日光灼傷。元朝郭守敬發明仰儀來測定日食時刻。

影響[編輯]

日食的天文現象,對於人類有各式各樣的影響,這些影響不僅包括對實際自然環境的改變,也體現在了文化與思想當中。

思想文化[編輯]

在歷史當中,將日食視為不吉祥徵兆,是因為文明缺乏天文學知識或是資訊傳播上的落後,所產生的侷限認知,歷史記載上的神話、民間上的傳說,認為是象徵災難的降臨,而在日食時舉行救日行動之類的儀式。但在現代社會中,這層無科學角度的不合理解釋已逐漸為人們所拋棄(仍有部分國家地區的民眾聽信謠言),只被當作神話當中的日食故事,作為天文愛好者們互相傳遞的會心一笑之故事。

東亞方面[編輯]

中國:將日食當作是上天的警告,認為是肇因於天狗食日,必須敲鑼打鼓趕走天狗,因此統治者對日食的觀測非常關心,《日食說》曰:「日者,太陽之精,人君之象。君道有虧,有陰所乘,故食。食者,陽不克也。」。據說在夏朝羲和因為漏報了日食而被斬首[12]。也因此,中國保存了非常完整豐富的日食記錄,記作「日有食之」,最早可推至《詩經·小雅·十月》:「十月之交,朔月辛卯,日有食之,亦孔之丑」。據統計,不包括甲骨文中的日食記錄的話,春秋時期到清代同治十一年(前770年-1874年),有記載的日食共985次(錯誤有8次),有時還有所謂「日再旦」(天亮兩次)的記載。從《乙巳占》上的觀點,李淳風認為,發生日食,是天子失德的表現。日食一般應驗在君死、國亡上,更可以引起兵災、天下大亂、死亡、失地上面。發生災害的性質可以從天象的具體表現判斷出來。日食從上面開始出現,天子行政失誤;日食從旁邊開始出現,將內亂,有大兵起,有更立天子之兆;日食從地下面開始發生,是后妃或大臣自恣太、行為失律所致。

漢朝的中國學者張衡,卻針對日食和月食提出合理的科學解釋,並說明原理,詳見月食張衡條目。但古時候在傳播資訊上的侷限問題,不見得每個古人都知道。

日本地區:根據日本神話天照大神說,當日食發生之時,代表侍奉太陽神的巫女卑彌呼的靈力消失,會遭到邪馬台國人民加以殺害。

西洋方面[編輯]

北歐神話當中,蘇爾(Sol)是太陽的化身,當發生日食的時候,就表示追逐太陽的兇狼斯庫爾(Skoll)追上了蘇爾,這時候地上的人們就會敲鑼打鼓以嚇走天狼

天災人禍[編輯]

日食也會對地球環境乃至人類社會的運作產生一定的影響,以下是科學角度認知上的災害

  • 天災方面:造成能見度下降、氣溫降低(沙漠地區最為明顯)、溼度上升,對於交通運輸的生產作業、通信安全(定位衛星斷訊)等,或是某些敏感的動植物會應日食產生不尋常的變化。因此在日食(尤其日全食)期間,受到影響的地區需要調整照明設備以維護交通安全。
  • 人禍方面:根據歷史的事件紀錄分析,有發生過有心人士將日食當作時間點的指標,藉由此引起國家動亂、起義戰爭、奪取統治階級的生命等各種意圖的時機。在社會治安上,則會有人刻意散播不實謠言(或者是藉由網路等手法),造成民眾的迷信猜測和心理恐慌等帶來一定影響。

觀看[編輯]

在觀測日食時,不應當直接目視太陽,即使是在黃昏或日環食時,刺眼的太陽光(光球)也會引起視網膜破壞而影響視力[13]。如果要直視太陽,需使用保護措施,如專用於目視太陽觀測的濾光片(如巴德膜)、焊接用14號或以上的護目眼鏡。否則可以投影法觀看(如簡單的針孔照相機在紙上成像,或利用望遠鏡把太陽影像投影於白紙上)。以墨水倒影,隔著煙薰黑的玻璃、已曝光的底片(含有銀的黑白底片除外)、太陽眼鏡、偏振光濾鏡等,因為不能過濾紅外線和紫外線,減光效果不佳,皆不安全。直接看很危險。1999年8月11日是20世紀觀看的人最多的。[14]使用日食眼鏡觀測60秒,需休息30秒以上再繼續觀測。[15]

全食的五大階段[編輯]

日全食觀測的全過程包括五大階段[16]

  1. 初虧:因月球自西向東繞地球公轉,當月球東沿相切於太陽西沿,日食正式開始,太陽開始出現虧損。
  2. 食既:月球繼續向東運行,當東沿相切於太陽東沿時,太陽完全被月球遮擋,光線完全被吞食,稱為食既。日全食開始。
  3. 食甚:當月球東移至中心與太陽中心重合的位置,日全食達到極點,稱為食甚。
  4. 生光:月球繼續東移,當西沿相切於太陽西沿,太陽開始露出,光芒開始重現,稱為生光。日全食結束。
  5. 復圓:生光後月球遮擋太陽越來越少,當月球西沿相切於太陽東沿,太陽圓盤形狀完全恢復,整個日食過程結束。

日食之最[編輯]

下表列出於1900年至2100年最長和最短的日全食和日環食。

類別 最長 最短(食甚持續時間:少於0.5秒)
日全食 1955年6月20日(食甚持續時間:7分8秒) 1928年5月19日2043年4月10日
日環食 1955年12月14日(食甚持續時間:12分9秒) 1950年5月18日2014年4月29日
資料來源:[17]

用途[編輯]

日食的計算涉及到太陽和月亮運動的準確性,因此古代許多天文學家用它來驗證自己的曆法。1969年還有人利用公元2年以前的25次日食記錄來計算地球自轉速率的長期變化。另在日月食中也發現了沙羅周期

在考古斷代中,根據歷史中的日食記載,可以幫助精確地確定歷史事件的具體時間,是十分可信的手段。

1919年天文學家亞瑟·愛丁頓利用日食時遮蔽強烈的太陽光線觀察星光被太陽引力扭曲而驗證相對論

相關條目[編輯]

列表[編輯]

最近日食[編輯]

其他[編輯]

參考文獻[編輯]

  1. ^ 在中國史書上記錄的日食中有部分發生在晦日,即農曆三十,如《史記·孝文本紀》有「(二年)十一月晦,日有食之。十二月望,日又食」,「三年十月丁酉晦,日有食之」的記錄;《史記·孝景本紀》有「七年十二月晦,日有食之」,「中三年……九月戊戌晦,日食」的記錄。這是因為當時的曆法是採用平朔的方法,這種方法沒有考慮到日月的運行差距,定出的曆法存在偏差,真正的新月有時可能會出現在前一月的最後一天或這個月的第二天。所以會出現日食在晦日的情況。隋唐以後曆法採用定朔的方法,將太陽的黃經和月的黃經一致的那一天作為每月的初一,因此隋唐後日食只可能發生於朔,即農曆初一當日。但由於定朔法是以中國地區的時間為基準,受到時差的影響,中國地區農曆初一的同時刻,美國地區華人未必也是初一,所以只有中國地區可觀測的日食,以北京時間為基準,才有日食必定是初一的說法。
  2. ^ 月球概況. 上海市科學技術委員會. 
  3. ^ 日食,田納西大學
  4. ^ 日食的種類, P. Tiedt
  5. ^ F. Espenak. World Atlas of Solar Eclipse Paths. 
  6. ^ NASA Eclipse Home Page. NASA. 
  7. ^ Stephenson, F.R. Historical Eclipses and Earth's Rotation. Cambridge University Press. 1997. 54. ISBN 0521461944. 
  8. ^ F. Espenak. Eclipses and the Saros. 
  9. ^ 1935PA 43..412P Page 412. Adsabs.harvard.edu. [2010-03-07]. 
  10. ^ Moon near Perigee, Earth near Aphelion. Fourmilab.ch. [2010-03-07]. 
  11. ^ 馬偉宏. 我國日食觀測已有近4000年歷史. 中國公眾科技網. 2009年5月21日. 
  12. ^ 尚書·胤徵》
  13. ^ 卡佳坦.波斯基特《牛頓和他的地心引力蘋果》一書提到:「直視日光好幾小時,看看會有什麼發現。他得到的最大結果是幾乎把自己搞瞎,然後得待在暗室裡好幾天才恢復視力。」但也有人能直視日光而無礙,沈復的《浮生六記·幼時記趣》稱:「余憶童稚時,能張目對日。」
  14. ^ 楊波,劉真,王靜. 日全食天文奇觀將出現 六種錯誤觀測方式容易傷眼. 東北新聞網. 2009-07-20. 
  15. ^ 如何安全觀測日全食. 光明日報. 2009-07-20. 
  16. ^ 詳解日全食五大階段.網易.2009年7月14日
  17. ^ 香港天文台; 美國國家航空暨太空總署戈達德空間飛行中心. 日食. 2009-10-02 [2010-01-25]. 

外部連結[編輯]

Eclipse 2010 Hao 1.JPG 日食 Solar eclipse 2008Feb07-New Zealand-partial-Greg Hewgill.jpg
上一次日食:
2014年4月29日日食
(日環食)
日食
(日全食)
下一次日食:
2014年10月23日日食
(日偏食)
上一次日全食:
2012年11月13日日食
下一次日全食:
2015年3月20日日食