浅谈地月运动及相关天象

□ 问 天

浅谈地月运动及相关天象

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Apollo-11的航天员及实验设备在月球表面

地球是人类的家园，这里有高山，有大海，有森林，也有沙漠。植物在这里开花结果，动物在这里繁衍生息，它是一个生机勃勃的星球。月球是地球唯一的卫星，它是距离地球最近的天体。但是，月球上没有水、没有空气，也没有生命，月球是一个荒芜寂寥的世界。1959年9月，苏联发射月球2号探测器首先登陆月球。1969年7月，美国发射的阿波罗11号成功登陆月球，并将两名航天员尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林送上月球，成为人类历史上最早登陆月球的人。2013年12月2日，我国在西昌卫星发射中心成功发射嫦娥三号探测器，于12月14日嫦娥三号探测器在月球虹湾地区成功着陆并开展了一系列科学探测试验。将来，月球或许会成为人类的第二个家园。以月球为基地，总有一天，人类还会飞向更加遥远的宇宙空间。回首历史，我们可以发现，人类对宇宙天体的认识，首先起始于观察地球-月球的相对运动及其所产生的天文现象。

月球地平线附近的地球，Apollo-8探测器拍摄

地球自转与周日视运动

自古以来，人们就发现，早晨太阳从东方升起，傍晚向西方落下。夜幕降临，明月和无数的星星同样东升西落。这些现象日复一日，年复一年。通过这种直观的观察，先辈们认为，地球似乎处于静止不动的状态，好像是宇宙的中心，太阳和星辰都在不停地围绕地球转动。这也是古时候托勒密地心说的主要观点。直到16世纪，哥白尼提出日心学说，人类才真正认识到地球自身也在运动，它一方面绕太阳公转，一方面绕通过地球中心的轴自转。

相对于个人的活动范围而言，作为天体的地球是非常庞大的，它的直径超过一万两千公里。生活在地球表面狭小区域的人，根本无法感知地球的自转运动。不仅如此，物体的运动是相对的。坐在高速奔驰的汽车或火车上的人，向窗外望去，感受到两旁的树木飞快地向后运动，这是将与人同行的汽车和火车作为静止参照物引起的。如今，我们已经知道了地球运动和天体运动的真实面目，地球每天自西向东自转一周，地球人观察的宇宙天体则是年年日日重复的东升西落运动，这仅仅是一种视觉现象。因此，天文学家把天体的这种直观上的运动称为周日视运动。

天体的周日视运动在天空中的轨迹是平行于天赤道的弧线，这是地球自转的直接反映。喜爱拍摄星轨的朋友对此会有切身的感受。通过漫长的历史，由天体周日视运动认识到地球自转是人类认识宇宙的重要进展。

宇宙中蓝色的星球——地球

在美国马萨诸塞州一个灯塔处拍摄的星轨，总曝光时间30分，拍摄者：Chris Cook

地球公转与斗转星移

北天极附近的大熊座与小熊座，不同季节北斗七星的斗柄指向不同

爱好观看星空的人一定知道，不同季节看到的夜空中的星座是不同的。夏季，天鹰座、天琴座和天鹅座等星座中的亮星在银河附近光彩夺目；冬季，猎户座、双子座和大犬座等星座中的众多亮星更是熠熠生辉。在晚上固定时间，我们对星空进行更仔细的观测会发现，恒星在天球上每天比前一天向西移动约59.1分。随着日期变化，星座在夜空中不停地移动，产生了我们常说的四季星空。地球围绕太阳沿椭圆轨道公转，每年（365.24天）公转一周，即360度，折算到每天为0.986度，也就是59.1分。这正是晚上看到的星座每天移动的数值，地球公转产生四季星空变化。

我国民间有一段谚语：“斗柄东指，天下皆春；斗柄南指，天下皆夏；斗柄西指，天下皆秋；斗柄北指，天下皆冬。”斗柄是指人们常说的北斗七星组成的大勺子的勺把，它由三颗星组成。一年四季中斗柄方向的变化，是由于处在地球公转轨道的不同位置观看北斗七星引起的，是地球绕太阳公转的反映。不过，在北半球的人看来，北极星（小熊座α）在夜空的位置基本不随季节变化。这告诉我们，地球在围绕太阳公转的过程中，它的自转轴始终指向北极星附近。

夜空中除了恒星，还可以看到太阳系内的行星，同地球一样这些行星也在围绕太阳转动，这使得在地球上看来，行星在恒星背景上的位置不断变化，粗略地看上去夜空中行星的运动似乎没有规律。正是早期天文学家对行星运动的观测研究，使得人类认识了太阳系天体的运动规律，发现了开普勒三定律和万有引力定律。

小熊座α不会永远是北极星

地球自转及自转轴进动示意图

北极星是小熊座α，中文名称勾陈一，是一颗二等星，在夜空中比较明亮。因此，夜晚用它来辨别方向非常方便，它是生产生活中十分有用的一颗星。我们说，一年四季北极星在夜空的位置基本不变，也就是地球绕太阳公转时自转轴始终指向北极星附近。其实这是一个粗略的说法，这种说法只在一定的年代范围内正确。据我国古书记载，公元前3000年的北极星是天龙座α（紫微垣右枢星）。据天文学家推算，公元7000年的北极星会是仙王座α，中文名称天钩五；公元10000年北极星为天鹅座α，中文名称天津四；公元14000年北极星变为天琴座α，中文名称织女星。约25800年以后，地球人的北极星又重新变为小熊座α。实际上，目前地球北极的指向位置距离小熊座α不到1度，并以每年约15角秒的速度向北极星方向靠近，在公元2100年前后距离北极星最近，约28角分。

那么，为什么会出现北极星不断变化的现象呢？这要从地球的自转运动说起。地球自转就像一个斜着身体转动的陀螺。如果将不转动的陀螺倾斜着放到平面上，它会马上倒下；但是若存在自转，那么陀螺并不会马上倒下，而是在倾倒趋势的作用下，一边自转一边绕垂线方向摇摆着晃动。同样，地球也在自转；而且，地球并不是一个密度分布对称的正球体，在赤道区域略有隆起。太阳和月亮对地球隆起部分的附加作用力，使得地球赤道面向黄道面（地球公转轨道面）方向重合。地球自转运动的惯性使赤道面和黄道面夹角保持不变，却使地球自转轴绕垂直于黄道面的轴摇摆着晃动，即地球的进动。地球进动造成地球自转轴指向在星空中周期性变化。地球的这种进动又被称为日月岁差。

地球进动中自转轴指向在星空的运行轨迹，图中黄色数字为公元纪年年代

日长变长与明月变小

白天，不管天气是晴还是阴，人们都会在不同的岗位工作；夜晚，绝大多数人会卧床休息。自古至今，年年如此，月月如此。白天和黑夜共24小时构成一日，地球自转一周，从前人们以为这是一件亘古不变的事实。然而，20世纪以来，随着科学技术的进步，观测精度不断提高，科学家发现地球自转速率在非常缓慢地变小。

在地球围绕太阳公转速率不变的情况下，自转变慢意味着一个回归年中的天数必然减少。科学家对古代长期日月食的记载资料和古珊瑚化石进行细致分析，结果表明：6亿多年以前地球上的一年约424天；2.8亿年前一年约为390天，如今一年的天数为365.2422天。日长每100年约增加0.0018秒。科学家认为引起地球自转长期变慢的主要原因是，月球对地球的潮汐摩擦作用。这种作用还产生另一个变化，使得月球距离地球越来越远，在这种情况下，天空中的明月看上去会越来越小，直到天的长度跟月的长度相等为止。

月相与月球运动

“人有悲欢离合，月有阴晴圆缺”是北宋诗人苏轼的作品《水调歌头》中的两句。“月有阴晴圆缺”是指天空中月亮的形状不断变化，不同的月亮形状称为月相。农历每月初一，我们看不到月亮，此时的月相称为“朔”；农历每月初二或者初三，随着太阳落下夜幕降临，在西方偏南地平线上较低的天空，会看到弯弯的细细的月牙，此时的月相为“蛾眉月”；随后几天月牙逐渐变宽，而且日落时蛾眉月的位置逐渐东移，高度也随着上升；一般在农历初七初八，月亮的形状基本变为半圆，且凸边向西，称为“上弦月”,日落时上弦月在正南方，且地平高度最高；接下来的几天，日落时月亮的位置依旧逐渐东移，但高度逐渐降低，形状由半圆变为多半圆，此时称为“凸月”；农历每月十五，太阳西边落山，月亮则东方升起，此时是一轮圆月，称为“望”；此后的月亮升起的时刻越来越晚，形状由完整的圆形逐渐收缩，西半边逐渐残缺，不过仍为“凸月”；农历每月二十二或者二十三，子夜时分月亮才会升起，此时为凸边朝东的“下弦月”；随后几天，月亮后半夜升起，形状不足半圆，且逐渐变窄，称为“残月”，接下来农历月末一天或下月初一又回到整夜不见月亮的日子。

以遥远的恒星（假定恒星不动）为参照物，月球每27.32天绕地球公转一周。月相完成一个变化周期为一个“朔望月”，月相变化是地球、月球和太阳三者的位置关系决定的，月球围绕地球公转时，地球同时围绕太阳自西向东公转。以太阳作参照物，月球绕地球公转一周（360度）需29.53天，也就是一个朔望月的时间。由此算来，月球每天绕地球转过12.2度，这正是每晚固定时刻观看，月球比前一天向东移动的角度。

太阳、地球和月亮的位置关系及月相的形成

看上去时大时小的月球

我们都有这样一种印象，农历每月十五前后，当月亮从东方的地平线刚刚升起，它的圆面看上去非常大，当月亮远离地平线高高升起以后，它的圆面似乎“减小了”许多。实际上，这主要是一种背景对比产生的错觉。可是，有时电视和报纸报道：某天夜晚的月亮是一年中或者多少年以来看上去最大的月亮。这又是怎么回事呢？

2012年月球在近地点和远地点附近的两次满月，月球的视大小差别明显

永远朝向地球的月球半球面

月亮是地球的卫星，它围绕地球公转的轨道是椭圆，不是圆。在椭圆轨道上，月球距离地球中心最远时为405500千米，距离地球最近时为363300千米，平均距离为384400千米。月球与地球的最大距离与最小距离相差42200千米，可见月球的公转轨道“扁”得很显著。这样一来，假设月球位于天顶，地面上的观察者在两种情况下看到的月球大小分别为：最远时月亮距观测者的距离405500－6400=399100千米，6400千米为地球半径，月亮视直径为29.50角分；最近时月亮距观测者的距离363300－6400=356900千米，月亮视直径为33.52角分。两者相差4.02角分，变化率达13%。不过，一般情况下，月亮看上去最大或最小的发生日期间隔很长，而且月亮视大小是连续变化的，所以人们直观上分辨不出这两种差别，只有通过照相的办法才能给出对比。

还有两种情况造成月球视大小不同。其一，同一天月球分别位于东方地平线附近和天顶附近。地平线附近的月亮，视直径略小；天顶附近的月亮，视直径则略大。按照地月平均距离384400千米计算，月球位于天顶时，距离384400－6400=378000千米，月球的视直径为31.65角分；月球位于东方地平线附近时，距离384400千米，月球的视直径为31.12角分。但是，这种视大小的实际不同往往被背景对比造成的假象掩盖。其二，冬季和夏季月亮上升的高度不一样，冬季月亮升得更高一些，冬至日前后月球升得最高，导致此时月球看上去更大一点。不过，这两种情况引起的月球视大小变化并不显著。

“不变的”月球面孔

喜爱天文观测的人，对星空和月亮一定不会陌生。尽管农历一个月之中，月相由月牙到圆月、再到残月不断变化，但是，月亮的面孔基本保持不变，并且千百年来一直如此。根据月亮上不同明暗区域形成的图案，民间产生了“吴刚伐桂”、“嫦娥奔月”和“玉兔捣药”等各种传说。随着近代天文学的发展，人们已经知道了月球面孔不变的原因。1693年意大利裔法国天文学家卡西尼根据观测得出，月球在围绕地球公转的同时也在匀速自转，它的自转周期与公转周期相等，同为27.32天；这一现象称为同步自转，导致月球基本以同一个半球面朝向地球。

永远背向地球的月球半球面

“在地球上，人们永远只能看到月球朝向地球的半球面，不能看到背向我们的半球面。”从严格意义上讲这句话并不正确。天文学家经过仔细观测，指出地球上的人们可以看到月球整个球面的59%。在某一日期的某一时刻只能看到月球表面的50%，其中的41%是一直可见的，另外9%的部分，在不同日期的不同时刻是月球可见半球面圆周邻近区域的不同部分，累计算来共可看到月球整个球面的59%。

造成上述结果的原因主要有三种。

1月球自转速度比较均匀，但是月球公转轨道是椭圆，月球在公转轨道上的运动速度并不均匀，地球位于椭圆轨道的一个焦点上；在一个月球公转周期中，月球在轨道上的不同位置时，月球朝向地球的半个球面略有不同。变化部分主要在月球的东西两侧，变化幅度可以达到经度7°54′。

地球月球公转轨道及自转倾角示意图

2由于月球的赤道面和公转轨道面（白道面）存在6°41′的夹角，在公转轨道的不同位置，从地球上可以看到月球南北极地区的不同部分，变化幅度为月球的赤道与白道夹角。

3由于地球与月球的距离较近，由于视差效应，地球上不同地点看到的月球半球面略有不同。

除了上述三个因素外，月球本身并不是均匀的正球体，它的自转轴也会摆动，这使得月球朝向地球的半球面会有略微的变化。这种原因造成的月球可见半球面变化比前面三种因素要小许多。

日食与月食

地球围绕太阳公转，每年365.26天旋转一周，地球的轨道平面被称为黄道。月亮围绕地球公转，每27.32天转动一周，月亮的公转轨道面称为白道。白道与黄道之间的夹角略有变化，平均为5°9′。由于地球和月球的轨道运动，如果地球、月球和太阳恰好位于同一条直线上，月球处在地球和太阳之间时，在地球上某区域便会发生日食现象；当地球处于月球和太阳之间时，地球上的人们则会看到月食现象。日月食现象并不是频繁地发生，但是，数百数千年来，通过对这两种天文现象观测，天文学家得到了关于地球、月球、太阳以及其他天体的许多秘密。

2014年4月15日本地时间上午3:55在美国加利福尼亚州拍摄的月全食照片，拍摄者：James. W. Young

（责任编辑 张长喜）