03.04 月亮每個月繞地球一圈,為什麼不是每個月一次日全食呢?

~初~


這是個好問題!

月球繞著地球轉動,每隔大約27.3天繞行一週,這意味著月球每個月都會運行到太陽和地球之間。既然如此,為什麼不是每個月都會發生日食呢?

白道

地球繞著太陽轉動,這個運行軌跡被稱為黃道。不過,以太陽為靜止參照系,地球的運行軌道並非是真正意義上的二維平面,因其他天體的引力會對地球運動造成擾動。

另一方面,月球繞地球運動的軌道被稱為白道。倘若白道面和黃道面是共面的,那麼,每個月必然都會發生日食,因為太陽、月球和地球三者總會成一條直線。但在現實中,白道面與黃道面不在一個平面上,這是日食不是每個月都會發生的原因。

日食發生的條件

如果要發生日食,月球需要位於日地之間,並且三者幾乎還要呈一條直線。只有這樣,月球的陰影才會投射到地球上,從而讓地球上的觀測者看到日食的現象。

然而,黃道面和白道面不共面,它們之間有一個夾角。另外,受到其他天體的引力攝動,黃白交角不是一個固定的數值,最小為4.95°,最大為5.32°,平均為5.15‬°。

由於黃白交角的存在,當月球運行到日地之間時,月球不是每次都能把陰影投射到地球上,有時陰影會在地球的“上方”,有時會在“下方”,所以日食不是每個月都會發生。只有當黃白交點出現在朔月之時,地球才會進入月球的陰影中,從而出現日食。同樣的道理,只有當黃白交點出現在滿月之時,才會出現月食。

日食的種類

月球環繞地球的軌道是一個橢圓形,月球與地球的距離會不斷髮生變化,距離最近為36.3萬公里,最遠為40.5萬公里,平均為38.4萬公里。當月球離地球較遠時發生日食,月球看起來較小,它並不能完全遮住太陽。只有當月球足夠靠近近地點時,它才能完全遮擋太陽。日食可以分為以下四種:日全食、日環食、日偏食以及全環食。

日食發生的頻率為每年2至5次,日全食則為每1.5年一次。另外,由於月球投射到地球上的陰影很小,每次發生日食時,只有很少一部分地區才能看到。據估計,每隔大約370年,同一個地方才會再次出現日全食。

變化的日全食

雖然月球本身比太陽小了很多,但目前月球與地球的距離能夠達到適中的地步,使得在地球上看到的月球和太陽差不多大,這樣才會發生日全食。而在遙遠的過去,日全食發生的頻率會比現在更高,這是因為過去的月球離地球更近,月球更容易完全擋住太陽。

在月球最初剛剛形成時,地月距離只有幾萬公里。隨著地月系統的潮汐作用,地球的角動量不斷向月球轉移,導致月球軌道半徑越來越大,月球在逐漸遠離地球,目前的遠離速率約為3.8釐米/年。再過大約6億年,月球將變得足夠遠離地球,它將無法完全遮擋太陽,日全食不再發生。


火星一號


用了很長時間才搞懂月相,弄懂了月有陰晴圓缺,又費力去搞懂日食、月食又是怎麼個規律,月球分明是每個月就能圍繞地球轉一圈,為什麼會出現百年一遇的日食、月食等特殊天象,題主這個問題我也曾困惑過。

總結回答,主要是因為:

  • 黃道面與白道面有夾角:月球、地球、太陽三者,並不始終在同一條直線
  • 月球就那麼大,遮擋面積有限,日食也不是每次都是日全食
  • 地月、地日距離非恆定值,星球公轉的軌道不是幾何圓形

日環食過程圖

以上三點是深層根本原因,具體為何無法每個月都有日全食,我們需要先搞懂日食發生的原理


日食的形成

光沿直線傳播,地球繞著太陽轉,月球繞著地球轉,三者在運行的時候,當月球運動到太陽和地球中間時,月球會遮擋住奔向地球的太陽光線,當三者恰好在一條線上的時候,月球遮住的光投影到地球上,地表的人們就會看到日食。

白道面與黃道面

月球繞著地球公轉的軌道面稱為白道面,地球繞著太陽轉的面叫做黃道面,我們可以暫定太陽為固定中心來考慮這個問題,月球和地球的運動軌跡受到其他星體的影響,不是嚴格在一個二維平面上的,同時,白道面和黃道面之間有5°左右的夾角。

由於這個夾角,即使月球每個月都會運行到地球和太陽的中間,但它遮擋住的光線不會投影到地球表面,或是不完全投影到地球表面,於是我們不能每個月都看到日食。


月球體積

月球的直徑是地球的直徑的1/4左右,月球距離地球約為38萬千米,是地球直徑的30倍;

太陽直徑大約是地球直徑的109倍,地球距離太陽約為1.5億千米,地日距離是地月距離的395倍。

我們平常能看到的各天體模型圖都是經過“美化的”,已經失去它們原本的比例,如果按真實比例,一張圖上很難都畫出來,要不小的看不到,要麼大的畫不下。

當月球位於太陽和地球中的時候,只有當三者中心位置處於一條線的時候,月球投影在地球上的面積才是最大的,由於地球本身比月球要大不少,因為月球距離地球相對很近,所以我們看月球的時候會有它和太陽差不多的感覺,但實際當它們三點一線時,月球陰影是無法做到覆蓋半個球面,所以每次日食在地球上不同地點能觀測到的日食不相同的。


月地距離與日全食、日偏食、日環食

太陽光經過月球,月球總是能遮擋掉一部分光線,當遮住的部分投影到地球上,就是月球在地球上有個影子,這個影子會分為:本影、半影、偽本影,位於不同影子區域,就會看到不同的日食現象了,而影響月球影子分佈的主要因素是月地距離,月球距離地球時遠時近,導致它位於日地中間時會有不同的影子。如下圖所示

日全食:月亮遮擋住太陽光線,完全遮擋住的部分投影在地球上就是月球的本影區,位於本影區的人們可以看到的就是日全食,太陽被月球完全遮擋住

日偏食:部分光線可以照射到,但又有些部分被月球遮擋住,而形成的陰影是月球的半影區,

位於月球半本影區內看到的就是月偏食

日環食:當月球距離地球較遠的時候,太陽光被月球完全遮擋部分沒有落在地球上,四周邊緣光線落在地球上,此範圍內形成的陰影稱為偽本影,位於偽本影區的人們,望向月球的時候,月球中間完全遮擋住太陽,但是四周仍然有光照射到地球,因此會形成日環食,日環食的觀賞性比日食還要高,且更少見。


日全食的出現

日食只可能發生在朔日,農曆的1號,這時月球位於地球和太陽中間,只有當日地月三個能連出一條線,同時月球的本影能投在地球上,也就是,這條線儘可能是穿過三者中心,同時月球距離地球較近不會形成偽本影的時候,我們在地球上月球本影那個小區域能夠看到日全食。

所以不是每個月都能發生日全食,甚至不是每個月都能發生日食。

每年地球上最少能發生2次日食,最多可能有5次日食,而日全食和日偏食也只有地球上少部分地區的人可以看到,能看一次是一次。

最後,一個小提醒,日食雖好看,一定要帶好墨鏡保護眼睛!


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