日食的时长与方向原因探寻

赵龙

2020年6月21日的日环食，引起了全国热议，网上直播以及随后的视频记录也备受关注。然而这些视频中，有的是月球自东向西穿过太阳，有的是自西向东穿过太阳，有的是平穿，还有的是斜穿……不一而足。

事实真相是什么呢？

背景知识

首先，让我们先清理一下太阳、地球与月球在人们头脑中的印象。通过后续的一些模型图，我们要充分想象太阳的巨大以及离我们非常遥远。

实际上，太阳、地球與月球并非我们常人想象的那样近，它们之间的距离其实是非常遥远的（见表1）。那些天文数字在常人的头脑中实在难以想象，为此，我们需要在头脑中建立一个太阳、地球与月球的三球模型：

如果把太阳缩小成一个直径1米的红色气球，则地球相当于一个直径约9毫米的蓝色弹珠，而月球就相当于一颗直径约2.5毫米的豆子;

把地球放在百米跑道的起点，太阳需要放到百米跑道外的约107米处，而月球则在离开地球的约27厘米处;

站在百米跑道的起点，你会发现，太阳和月球在你的眼中基本一样大——太阳直径与月球直径的比值刚好和日地距离与地月距离的比值基本一样，都是约400倍——这也正是太阳系中只有地球上才有日全食的原因。

月球轨道并不是一个正圆，月球离开地球稍远了一点，于是我们看到了日环食，比如2020年6月21日的日环食。

日食成因

最基本的推理过程需要考虑太阳的运动、地球的运动和月球的运动。太阳带着地月系在银河系的运动，对本话题的影响可以忽略不计。

地球带着月球绕太阳的公转，一个周期365天乘以每天24小时，日食从初亏到复圆总长最多两三个小时，常见的是约两个半小时，常理上来说，地球公转的影响也可以忽略不计。

仅仅考虑地球的自转，若太阳和月球都不动的话，观察者的眼中太阳和月亮会同样地东升西落，是不会看到月球穿过太阳运动的。月球的自转，显然不可能造成日食。

唯一剩下的影响因素，就是月球绕地球的公转了！

我们看看百度怎么说：

日食，又叫作日蚀，是月球运动到太阳和地球中间，如果三者正好处在一条直线时，月球就会挡住太阳射向地球的光，月球身后的黑影正好落到地球上，这时发生日食现象……月亮运行到太阳和地球中间并不是每次都发生日食，发生日食需要满足两个条件：

其一，日食总是发生在朔日（农历初一）。也不是所有朔日必定发生日食，因为月球运行的轨道（白道）和地球运行的轨道（黄道）并不在一个平面上。白道平面和黄道平面有5°9′的夹角。

其二，太阳和月球都移到白道和黄道的交点附近……

月球比太阳的视运动走得快。日食时月球追上太阳。月球东边缘刚刚同太阳西边缘相“接触”时叫作初亏，是第一次“外切”，是日食的开始。

为了方便理解，请看图1。

这里，最重要的一句话就是“月球比太阳的视运动走得快。”通过前面简单的排除法分析，我们可以肯定，“月球比太阳的视运动走得快”必然是月球绕地球的公转引起的。

然而，月球公转一周需要用时27.32天，每天又有24个小时，在日食的两三个小时内，月球真的公转运行了那么多的距离吗？

下面，就让我们通过粗略的计算验证一下。

参照日全食的图（如图2），我们可以分析月球在日全食全过程中，自西向东沿着太阳的中心线穿过了太阳，从初亏、食既、食甚、生光到复圆，月球行走的距离为“太阳在白道距离上的视直径+月球直径”，日全食时“太阳在白道距离上的视直径=月球直径”。月球在白道面上绕地球公转的运动距离约为两倍月球直径（3476.28千米）的距离，即：

月球公转运动的距离=2×3476.28千米=6952千米

月球公转运动的角度=6952千米/月地距离384403.9千米×180度/π=1.036度

再来看一个具体例子。2009年7月，中科院紫金山天文台历算室公布了我国部分城市在7月22日的日全食时刻表（见表2）。

我们可以看到，2009年7月22日日全食从初亏到复圆，最短时间约用时2小时17分4秒（即2.284小时），粗略计算：

月球绕地球公转一周用时=24小时/天×27.32天=655.68小时

月球在白道面运动的角度=2.284小时×（360度/655.68小时）=1.254度

也就是说，要完成日全食，月球的公转至少需要约1.036度。通过粗略的计算得出，在约2小时17分的最短日全食的过程中，月球的确已经公转了这么多的角度。

当然，由于地球的自转平面（赤道）、黄道、白道各在不同的面，上述的计算只能说是非常简约化了的。但这个计算还是抓住了主要矛盾，足以说明问题了。

现在，我们通过粗略的计算知道“月球比太阳的视运动走得快”，而我们所看到的月球在日食时的运动，也正是月球的公转——实际上，在约两个多小时的时间里，你亲眼见证了月球在绕地公转。

方向探寻

作为科学老师，当然是要以实际观察来说话：不论在什么地方的观察，不论哪一次的观察，日食总是从西边开始初亏，总是从东边最后复圆。这是为什么呢？

我们知道，月球绕地公转是自西向东的，它也就是自西向东地赶上了太阳，机缘巧合之下，造成了我们看到的日食。故此，日食必定是从西边开始初亏而在东边复圆的。

日食具体走向，就是白道上月球前进的方向。这个自西向东的具体角度，在我们眼中的效果（月球是斜穿太阳还是平穿太阳，具体有多斜），要看当时月球的运动方向和地球自转（引起观察者位置不同因素），这个计算也是天文学专业问题，那就相当复杂了。