趙龍

2020年6月21日的日環(huán)食，引起了全國(guó)熱議，網(wǎng)上直播以及隨后的視頻記錄也備受關(guān)注。然而這些視頻中，有的是月球自東向西穿過(guò)太陽(yáng)，有的是自西向東穿過(guò)太陽(yáng)，有的是平穿，還有的是斜穿……不一而足。

事實(shí)真相是什么呢？

背景知識(shí)

首先，讓我們先清理一下太陽(yáng)、地球與月球在人們頭腦中的印象。通過(guò)后續(xù)的一些模型圖，我們要充分想象太陽(yáng)的巨大以及離我們非常遙遠(yuǎn)。

實(shí)際上，太陽(yáng)、地球與月球并非我們常人想象的那樣近，它們之間的距離其實(shí)是非常遙遠(yuǎn)的（見(jiàn)表1）。那些天文數(shù)字在常人的頭腦中實(shí)在難以想象，為此，我們需要在頭腦中建立一個(gè)太陽(yáng)、地球與月球的三球模型：

如果把太陽(yáng)縮小成一個(gè)直徑1米的紅色氣球，則地球相當(dāng)于一個(gè)直徑約9毫米的藍(lán)色彈珠，而月球就相當(dāng)于一顆直徑約2.5毫米的豆子;

把地球放在百米跑道的起點(diǎn)，太陽(yáng)需要放到百米跑道外的約107米處，而月球則在離開地球的約27厘米處;

站在百米跑道的起點(diǎn)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)和月球在你的眼中基本一樣大——太陽(yáng)直徑與月球直徑的比值剛好和日地距離與地月距離的比值基本一樣，都是約400倍——這也正是太陽(yáng)系中只有地球上才有日全食的原因。

月球軌道并不是一個(gè)正圓，月球離開地球稍遠(yuǎn)了一點(diǎn)，于是我們看到了日環(huán)食，比如2020年6月21日的日環(huán)食。

日食成因

最基本的推理過(guò)程需要考慮太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)、地球的運(yùn)動(dòng)和月球的運(yùn)動(dòng)。太陽(yáng)帶著地月系在銀河系的運(yùn)動(dòng)，對(duì)本話題的影響可以忽略不計(jì)。

地球帶著月球繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)，一個(gè)周期365天乘以每天24小時(shí)，日食從初虧到復(fù)圓總長(zhǎng)最多兩三個(gè)小時(shí)，常見(jiàn)的是約兩個(gè)半小時(shí)，常理上來(lái)說(shuō)，地球公轉(zhuǎn)的影響也可以忽略不計(jì)。

僅僅考慮地球的自轉(zhuǎn)，若太陽(yáng)和月球都不動(dòng)的話，觀察者的眼中太陽(yáng)和月亮?xí)瑯拥貣|升西落，是不會(huì)看到月球穿過(guò)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的。月球的自轉(zhuǎn)，顯然不可能造成日食。

唯一剩下的影響因素，就是月球繞地球的公轉(zhuǎn)了！

我們看看百度怎么說(shuō)：

日食，又叫作日蝕，是月球運(yùn)動(dòng)到太陽(yáng)和地球中間，如果三者正好處在一條直線時(shí)，月球就會(huì)擋住太陽(yáng)射向地球的光，月球身后的黑影正好落到地球上，這時(shí)發(fā)生日食現(xiàn)象……月亮運(yùn)行到太陽(yáng)和地球中間并不是每次都發(fā)生日食，發(fā)生日食需要滿足兩個(gè)條件：

其一，日食總是發(fā)生在朔日（農(nóng)歷初一）。也不是所有朔日必定發(fā)生日食，因?yàn)樵虑蜻\(yùn)行的軌道（白道）和地球運(yùn)行的軌道（黃道）并不在一個(gè)平面上。白道平面和黃道平面有5°9′的夾角。

其二，太陽(yáng)和月球都移到白道和黃道的交點(diǎn)附近……

月球比太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng)走得快。日食時(shí)月球追上太陽(yáng)。月球東邊緣剛剛同太陽(yáng)西邊緣相“接觸”時(shí)叫作初虧，是第一次“外切”，是日食的開始。

為了方便理解，請(qǐng)看圖1。

這里，最重要的一句話就是“月球比太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng)走得快?！蓖ㄟ^(guò)前面簡(jiǎn)單的排除法分析，我們可以肯定，“月球比太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng)走得快”必然是月球繞地球的公轉(zhuǎn)引起的。

然而，月球公轉(zhuǎn)一周需要用時(shí)27.32天，每天又有24個(gè)小時(shí)，在日食的兩三個(gè)小時(shí)內(nèi)，月球真的公轉(zhuǎn)運(yùn)行了那么多的距離嗎？

下面，就讓我們通過(guò)粗略的計(jì)算驗(yàn)證一下。

參照日全食的圖（如圖2），我們可以分析月球在日全食全過(guò)程中，自西向東沿著太陽(yáng)的中心線穿過(guò)了太陽(yáng)，從初虧、食既、食甚、生光到復(fù)圓，月球行走的距離為“太陽(yáng)在白道距離上的視直徑+月球直徑”，日全食時(shí)“太陽(yáng)在白道距離上的視直徑=月球直徑”。月球在白道面上繞地球公轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)距離約為兩倍月球直徑（3476.28千米）的距離，即：

月球公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的距離=2×3476.28千米=6952千米

月球公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角度=6952千米/月地距離384403.9千米×180度/π=1.036度

再來(lái)看一個(gè)具體例子。2009年7月，中科院紫金山天文臺(tái)歷算室公布了我國(guó)部分城市在7月22日的日全食時(shí)刻表（見(jiàn)表2）。

我們可以看到，2009年7月22日日全食從初虧到復(fù)圓，最短時(shí)間約用時(shí)2小時(shí)17分4秒（即2.284小時(shí)），粗略計(jì)算：

月球繞地球公轉(zhuǎn)一周用時(shí)=24小時(shí)/天×27.32天=655.68小時(shí)

月球在白道面運(yùn)動(dòng)的角度=2.284小時(shí)×（360度/655.68小時(shí)）=1.254度

也就是說(shuō)，要完成日全食，月球的公轉(zhuǎn)至少需要約1.036度。通過(guò)粗略的計(jì)算得出，在約2小時(shí)17分的最短日全食的過(guò)程中，月球的確已經(jīng)公轉(zhuǎn)了這么多的角度。

當(dāng)然，由于地球的自轉(zhuǎn)平面（赤道）、黃道、白道各在不同的面，上述的計(jì)算只能說(shuō)是非常簡(jiǎn)約化了的。但這個(gè)計(jì)算還是抓住了主要矛盾，足以說(shuō)明問(wèn)題了。

現(xiàn)在，我們通過(guò)粗略的計(jì)算知道“月球比太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng)走得快”，而我們所看到的月球在日食時(shí)的運(yùn)動(dòng)，也正是月球的公轉(zhuǎn)——實(shí)際上，在約兩個(gè)多小時(shí)的時(shí)間里，你親眼見(jiàn)證了月球在繞地公轉(zhuǎn)。

方向探尋

作為科學(xué)老師，當(dāng)然是要以實(shí)際觀察來(lái)說(shuō)話：不論在什么地方的觀察，不論哪一次的觀察，日食總是從西邊開始初虧，總是從東邊最后復(fù)圓。這是為什么呢？

我們知道，月球繞地公轉(zhuǎn)是自西向東的，它也就是自西向東地趕上了太陽(yáng)，機(jī)緣巧合之下，造成了我們看到的日食。故此，日食必定是從西邊開始初虧而在東邊復(fù)圓的。

日食具體走向，就是白道上月球前進(jìn)的方向。這個(gè)自西向東的具體角度，在我們眼中的效果（月球是斜穿太陽(yáng)還是平穿太陽(yáng)，具體有多斜），要看當(dāng)時(shí)月球的運(yùn)動(dòng)方向和地球自轉(zhuǎn)（引起觀察者位置不同因素），這個(gè)計(jì)算也是天文學(xué)專業(yè)問(wèn)題，那就相當(dāng)復(fù)雜了。