观察火星运动

◎文图 中国科学院国家天文台 郭红锋

观察火星运动

◎文图 中国科学院国家天文台 郭红锋

上一期同学们尝试观察了内行星（在地球内圈运行的太阳系行星）—水星和金星，经过连续观察和记录，对行星的运动有了感性认识。这一期我们再接着观察火星，以火星为例，我们会对外行星（在地球外圈运行的太阳系行星）运动的共同特性有所了解。

图1是描述外行星运动的示意图，从地球上观看，太阳与某一颗行星之间的角度称为“距角”。太阳与外行星距角为0°时称为“合”，太阳与外行星距角为90°时称为“方照”，太阳与外行星距角为180°时则称为“冲”。内行星的运动有4个特殊时期，分别为下合、上合、东大距和西大距。同样，外行星的运动也有4个特殊时段，分别为合、冲、东方照和西方照。就外行星而言，太阳在行星与地球之间时叫“合”，而地球在行星与太阳中间时叫“冲”（即地球与外行星在同一侧）。外行星在“冲”的位置时，与地球之间的距离最近，而且整夜都可以看到（类似满月时从地球上观察月亮，整夜可见）。因此，外行星位于“冲”的位置是观测该行星的最好时机。

我们讲过，内行星（水星和金星）在恒星背景里“游行”的一般规律是在太阳附近往返。现在我们要介绍外行星在恒星背景里“游动运行”的主要规律，是“顺行”与“逆行”（见图2）。

图1 外行星运动示意图

通常我们举头望星空时，看到天空中的所有天体都是投影在巨大的天球上。在这个天球上，恒星相互间的位置是恒定不变的，而行星却是在恒星之间穿行。以观察火星为例，从地球上看，火星先是在某星座里，过几天再看火星会移动到别的星座里了。如图2所示，地球和火星运行在位置1与位置2的时候，地球在火星的后面，从地球上会看到火星每天在恒星背景里向东移动了一点角距离（参考火星与邻近恒星的角距）；当地球和火星运行在位置3的时候，此时地球已经追上火星（也就是冲日）；然后地球超越火星，这期间从地球上向天空观察火星，会看到火星折回向西（参考火星与邻近恒星的角距）一小段距离后，又折回再次向东穿行。我们称行星在星座里（恒星背景里）向东的穿行为“顺行”，折回向西的穿行为“逆行”。

图2 外行星逆行演示图

一、观察火星运动

由于火星公转周期为687天，与地球发生冲的机会大约2年才有一次，所以要观察一个完整的火星顺行与逆行的周期也需要大约2年的时间。上一次火星冲日是2016年5月22日，下一次火星冲日是2018年7月27日。现在离下一个冲日还有大半年时间，同学们可以先做间隔时间较长的观察，例如每月观察1次，等到离冲日较近的日期（2018年7-8月间），再做间隔时间较短的观察，例如每天（或几天）观察一次。

下面给大家介绍2017年10月火星在天空中的位置和在星座里穿行的运动情况。

2017年10月初，每天黎明前（早晨5点左右），我们可以在大约正东方向，距离地平面约10°的位置找到火星（这期间火星离冲还很远，故不太亮，只有2等左右），也可以通过星座找火星（2017年10月间火星在狮子座的南边），此时金星离火星很近，就在火星的西边一点。金星每天都会向东穿行（接近太阳），因为金星运动得比火星快，所以很快就赶上了火星，并在10月6日与火星相合（早晨5点左右，在正东方向，距地面高度约10°，可以观察到），10月7日以后，金星已经在火星的东边了，10月底，金星在同一时间大约在地平线上。由于火星向东行的比较慢，而跟着星座向西的运动（地球公转引起）更明显，因此每天黎明前（早晨5点左右）火星的地平高度几乎不变（参考图3）。

因此，观察火星的运动一定要参考恒星背景，也就是观察它在星座间的游行规律。同学们如果有耐心和持之以恒的精神，可以把观察火星的工作持续做下去，至少坚持到下一个火星冲日（2018年7月27日）以及冲日以后的逆行。

图3 金星合火星示意图

下面给出2017年10月至2018年12月，火星在天空中的位置和在星座里穿行的运动情况（参考图4）。

2017年10月火星在狮子座，缓慢东行（顺行），亮度约2等；

2017年11月火星东行，进入室女座西端，顺行，亮度约2等；

2017年12月火星继续在室女座东行，顺行，亮度约2等；

2018年1月火星进入天秤座，顺行，亮度约1.6等；

2018年2月火星进入天蝎座，顺行，亮度约1.3等；

2018年3月火星进入蛇夫座，顺行，亮度约1等；

2018年4月火星进入人马座西端，顺行，亮度约0.4等；

2018年5月火星在人马座继续东行，顺行，亮度约-0.3等；

2018年6月火星进入摩羯座，顺行，亮度约-1等；

2018年7月火星在摩羯座，逆行，亮度约-2等（图中蓝色箭头线）；

2018年8月火星在摩羯座，逆行，亮度约-2等（图中蓝色箭头线）；

2018年9月火星逆行到人马座边缘，亮度约-1等；

2018年10月火星顺行回到摩羯座，亮度约-1等；

2018年11月火星顺行到摩羯座边缘，亮度约-0.5等；

2018年12月火星顺行，进入宝瓶座，亮度约0等。

同学们可以参考图4标注火星在星座间的位置，从而看出火星接近冲日的亮度增加和冲日前后顺行和逆行的规律。

图4 火星运动情况示意图

二、观察与记录

观察与记录同样要制作一个表格（参考下表），把每天观察的数据填入表中，方位角要先确定正东方向，找一个地面参考物做好标记，然后用手指法或拳法估算火星的位置与正东方向的角距，地平高度也是一样用手指法或拳法估算火星离开地面的高度角。

有了这些数据以后，你还可以把每次记录表中的数据标在一幅背景图上，这个背景图里要有星座图，最后把所有的图拼接起来。如果能坚持观察两年，就可以制作一个完整的火星在天空星座背景里运动的示意图了（参考图4）！