为什么会出现日全食日偏食日环食?其中的原理和区别到底在哪?

  • 钟铭聊科学
  • 2020-06-22 16:25:06

十年来最具观赏性的日环食,你看了吗?你知道这是什么原因吗?我们常常听说全日食,日环食等等词汇,可你知道这其中的原理和区别到底在哪吗?这回我就来跟你唠唠这事。

为什么不是每个月都有日食?

我们平时常常看到下面这样的图,这张图其实很容易让人误以为太阳、地球、月球的轨道在一个平面上。但是你有想过,如果是这样的关系,一年是365天,从地球的角度来看,就是太阳绕着地球转一圈的时间是365天,而一个月大概是30天左右,如果太阳的轨道和月球的轨道在一个平面上,那应该每个月都能看到日全食才对。

事实上,我们要知道,空间是三维的,而不是平面的。月球的轨道和太阳的轨道并不在一个平面上,而在存在着夹角。

运动是相对的,我们可以以地球为参考系,那么这个时候,从地球上看,太阳就是绕着地球在转的。我们把太阳围绕着地球转的轨道平面叫做黄道面。

同样地,如果从地球看去,月球也是绕着地球在转的,我们把月球绕着地球转的轨道平面叫做白道面。白道面和黄道面之间并不是平行的,而是存在着夹角的,这个夹角是5°09′。正是因为这个夹角的存在,所以导致我们并非每个月都能看到日食。

从上图中,其实我们也能看出,白道面和黄道面其实有两个焦点,这也被我们称之为黄白交点。当太阳恰好转动到黄白交点的附近时,太阳、月球、地球才有可能形成一条线,并形成日食,我们把太阳恰好运动到黄白交点附近时所对应的时间叫做:食季。一般来说,每年都会有2个食季,每个食季持续大概36天。而月球绕地球一周大概在30天左右,因此,在每次食季时,都至少会出现1次日食。

只不过,由于地球是个球体,因此,每次只会有一部分的地方能看到日食。

日环食

日食是月球挡住了太阳,可问题是为什么同样是月球挡住太阳,有的时候日全食,有的时候是日环食,甚至不同的地方看到的也不同?

这其实和月球距离地球的距离有有关。根据开普勒的发现,天体并不是做完美的圆周运动,它们的轨道其实是一个椭圆形。因此,每一次发生日食的时候,月球距离地球的距离都是不同的,有时候近,有时候远。这种“远近”的差别,也就使得我们在地球上看到的日食不同。那具体是咋回事呢?

如果月球比较靠近地球,月球就会完全把太阳给挡住,这就会使得地球上一部分地区的人完全看不到太阳光,我们把这部分地区所处在的区域叫做本影。在这个地区的人所看到的就会是日全食。如果月球只能遮挡住一半的区域,那么这被遮挡住的区域就叫做半影,处在半影区域的人所看到的景象就是日偏食。

如果月球距离地球比较远,由于月球比较小,因此就不可能完全挡住太阳。而这时候被遮挡住的区域就叫做伪本影。处于在这个区域的人就可以看到日环食。这次的日食其实就是日环食,日环食其实属于比较罕见的现象了。

不过,这里要多说一句,只有在伪本影的区域才能够看到日环食,其他地球的人只能看到日偏食,而且不同地区的观测时间也是不同的。

日食与广义相对论

在古代,日食的出现被认为是天狗食日,要敲锣打鼓吓走天狗才能重新拯救太阳。但现在我们已经知道了日食只是一种自然现象,而且日食的出现,还验证了爱因斯坦的广义相对论。

1915年,爱因斯坦提出了广义相对论。但他并没有像我们想象中的那样一战成名,只是在学术圈当中有些名气。

到了1919年,爱丁顿带领团队拍摄了一张日食的照片,正是这场日食,成功地验证了爱因斯坦的广义相对论。简单来说就是爱因斯坦的广义相对论和牛顿的万有引定律在描述在光在太阳周围的运动轨迹是有略微差别的。

根据万有引力定律。地球之所以围绕着太阳公转,是因为太阳的引力大,“拽住了”地球,使得地球围绕太阳转动。

而根据广义相对论,引力的本质是时空的弯曲,太阳因为质量大扭曲时空,地球之所以围绕着太阳转动,是因为地球只是围绕着太阳的测地线在运动。

想要爱因斯坦的理论比牛顿的更精确,就要需要用观测或者实验数据来验证。而在日全食期间,观测光线在太阳周围的运动轨迹就可以验证。

爱丁顿在日全食时内拍摄了16张照片,其中1张照片中求得了太阳光线的偏转角为1.98″,在地球上另一端拍摄到的光线偏转角是1.61″。

两者综合起来的数据,刚好与广义相对论的预言值1.75″颇为吻合,证明了爱因斯坦的广义相对论对天体的描述更为精确。于是,爱因斯坦一跃成为了20世纪最伟大的科学家。

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