03.04 月亮每个月绕地球一圈,为什么不是每个月一次日全食呢?

~初~


这是个好问题!

月球绕着地球转动,每隔大约27.3天绕行一周,这意味着月球每个月都会运行到太阳和地球之间。既然如此,为什么不是每个月都会发生日食呢?

白道

地球绕着太阳转动,这个运行轨迹被称为黄道。不过,以太阳为静止参照系,地球的运行轨道并非是真正意义上的二维平面,因其他天体的引力会对地球运动造成扰动。

另一方面,月球绕地球运动的轨道被称为白道。倘若白道面和黄道面是共面的,那么,每个月必然都会发生日食,因为太阳、月球和地球三者总会成一条直线。但在现实中,白道面与黄道面不在一个平面上,这是日食不是每个月都会发生的原因。

日食发生的条件

如果要发生日食,月球需要位于日地之间,并且三者几乎还要呈一条直线。只有这样,月球的阴影才会投射到地球上,从而让地球上的观测者看到日食的现象。

然而,黄道面和白道面不共面,它们之间有一个夹角。另外,受到其他天体的引力摄动,黄白交角不是一个固定的数值,最小为4.95°,最大为5.32°,平均为5.15‬°。

由于黄白交角的存在,当月球运行到日地之间时,月球不是每次都能把阴影投射到地球上,有时阴影会在地球的“上方”,有时会在“下方”,所以日食不是每个月都会发生。只有当黄白交点出现在朔月之时,地球才会进入月球的阴影中,从而出现日食。同样的道理,只有当黄白交点出现在满月之时,才会出现月食。

日食的种类

月球环绕地球的轨道是一个椭圆形,月球与地球的距离会不断发生变化,距离最近为36.3万公里,最远为40.5万公里,平均为38.4万公里。当月球离地球较远时发生日食,月球看起来较小,它并不能完全遮住太阳。只有当月球足够靠近近地点时,它才能完全遮挡太阳。日食可以分为以下四种:日全食、日环食、日偏食以及全环食。

日食发生的频率为每年2至5次,日全食则为每1.5年一次。另外,由于月球投射到地球上的阴影很小,每次发生日食时,只有很少一部分地区才能看到。据估计,每隔大约370年,同一个地方才会再次出现日全食。

变化的日全食

虽然月球本身比太阳小了很多,但目前月球与地球的距离能够达到适中的地步,使得在地球上看到的月球和太阳差不多大,这样才会发生日全食。而在遥远的过去,日全食发生的频率会比现在更高,这是因为过去的月球离地球更近,月球更容易完全挡住太阳。

在月球最初刚刚形成时,地月距离只有几万公里。随着地月系统的潮汐作用,地球的角动量不断向月球转移,导致月球轨道半径越来越大,月球在逐渐远离地球,目前的远离速率约为3.8厘米/年。再过大约6亿年,月球将变得足够远离地球,它将无法完全遮挡太阳,日全食不再发生。


火星一号


用了很长时间才搞懂月相,弄懂了月有阴晴圆缺,又费力去搞懂日食、月食又是怎么个规律,月球分明是每个月就能围绕地球转一圈,为什么会出现百年一遇的日食、月食等特殊天象,题主这个问题我也曾困惑过。

总结回答,主要是因为:

  • 黄道面与白道面有夹角:月球、地球、太阳三者,并不始终在同一条直线
  • 月球就那么大,遮挡面积有限,日食也不是每次都是日全食
  • 地月、地日距离非恒定值,星球公转的轨道不是几何圆形

日环食过程图

以上三点是深层根本原因,具体为何无法每个月都有日全食,我们需要先搞懂日食发生的原理


日食的形成

光沿直线传播,地球绕着太阳转,月球绕着地球转,三者在运行的时候,当月球运动到太阳和地球中间时,月球会遮挡住奔向地球的太阳光线,当三者恰好在一条线上的时候,月球遮住的光投影到地球上,地表的人们就会看到日食。

白道面与黄道面

月球绕着地球公转的轨道面称为白道面,地球绕着太阳转的面叫做黄道面,我们可以暂定太阳为固定中心来考虑这个问题,月球和地球的运动轨迹受到其他星体的影响,不是严格在一个二维平面上的,同时,白道面和黄道面之间有5°左右的夹角。

由于这个夹角,即使月球每个月都会运行到地球和太阳的中间,但它遮挡住的光线不会投影到地球表面,或是不完全投影到地球表面,于是我们不能每个月都看到日食。


月球体积

月球的直径是地球的直径的1/4左右,月球距离地球约为38万千米,是地球直径的30倍;

太阳直径大约是地球直径的109倍,地球距离太阳约为1.5亿千米,地日距离是地月距离的395倍。

我们平常能看到的各天体模型图都是经过“美化的”,已经失去它们原本的比例,如果按真实比例,一张图上很难都画出来,要不小的看不到,要么大的画不下。

当月球位于太阳和地球中的时候,只有当三者中心位置处于一条线的时候,月球投影在地球上的面积才是最大的,由于地球本身比月球要大不少,因为月球距离地球相对很近,所以我们看月球的时候会有它和太阳差不多的感觉,但实际当它们三点一线时,月球阴影是无法做到覆盖半个球面,所以每次日食在地球上不同地点能观测到的日食不相同的。


月地距离与日全食、日偏食、日环食

太阳光经过月球,月球总是能遮挡掉一部分光线,当遮住的部分投影到地球上,就是月球在地球上有个影子,这个影子会分为:本影、半影、伪本影,位于不同影子区域,就会看到不同的日食现象了,而影响月球影子分布的主要因素是月地距离,月球距离地球时远时近,导致它位于日地中间时会有不同的影子。如下图所示

日全食:月亮遮挡住太阳光线,完全遮挡住的部分投影在地球上就是月球的本影区,位于本影区的人们可以看到的就是日全食,太阳被月球完全遮挡住

日偏食:部分光线可以照射到,但又有些部分被月球遮挡住,而形成的阴影是月球的半影区,

位于月球半本影区内看到的就是月偏食

日环食:当月球距离地球较远的时候,太阳光被月球完全遮挡部分没有落在地球上,四周边缘光线落在地球上,此范围内形成的阴影称为伪本影,位于伪本影区的人们,望向月球的时候,月球中间完全遮挡住太阳,但是四周仍然有光照射到地球,因此会形成日环食,日环食的观赏性比日食还要高,且更少见。


日全食的出现

日食只可能发生在朔日,农历的1号,这时月球位于地球和太阳中间,只有当日地月三个能连出一条线,同时月球的本影能投在地球上,也就是,这条线尽可能是穿过三者中心,同时月球距离地球较近不会形成伪本影的时候,我们在地球上月球本影那个小区域能够看到日全食。

所以不是每个月都能发生日全食,甚至不是每个月都能发生日食。

每年地球上最少能发生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区的人可以看到,能看一次是一次。

最后,一个小提醒,日食虽好看,一定要带好墨镜保护眼睛!


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