月相究竟在描述什么
目录 ↑月相不是月球实体形状的变化,而是月面受光区域投影到我们视野后的形状。这里要分清三个对象:球形月球、太阳直接照亮的半球,以及从某个方向能看到的半球。后两者相交的那一部分,才是眼睛看到的亮区。月球没有在一个月里膨胀成圆盘又缩成细线;改变的是观察方向和照明方向之间的关系。[1]
把月亮画成平面圆片虽然方便,却容易藏起成因。真实月球近似球体,太阳光从一侧照来,向阳侧是白昼,背阳侧是黑夜。月面白昼与黑夜的分界称为晨昏线。它不是一个悬浮在月球前面的遮挡物,而是月球表面自身的昼夜边界。沿着晨昏线附近,斜射阳光会让地形阴影更明显;这也是弦月前后适合辨认环形山起伏的原因。[1][4]
从空间位置到眼中的圆缺
目录 ↑先固定太阳在图的右侧,想象自己站在地球上。月球位于地球与太阳大致同一方向时,日照的一侧朝向太阳,背光的一侧朝向地球,所以接近新月。此时月亮也和太阳靠近地出现在天空中,很难在明亮的白昼背景里辨认。这里说“大致同一方向”,不是说三者每次都严格共线;如果真的精确对齐,还要另谈日食。[1][2]
月球沿轨道走到侧面后,我们斜看它的日照半球,先看到细细的亮弯,再看到半个圆盘。继续走到地球背向太阳的一侧,太阳从我们的身后方向照向月球,于是接近整个可见圆盘都明亮,这就是满月。再沿轨道前进,可见亮区从另一侧缩小,经过下弦和残月回到新月。这个过程连续进行,八个月相名称只是给连续变化设下便于描述的路标。[1]
一个实物模型可以把两个视角接起来:在较暗房间里,用固定的小灯代表太阳,手持白色球体,眼睛代表地球上的观察者。让球绕着自己移动,始终由同一盏灯照明,就能看到亮区从弯到圆。做满月位置时把球稍举高,让头的影子不要落在球上;否则模型里出现的是“月食”,不再是普通满月。这个实验的价值在于解释几何关系,不在于按比例复制天体距离。[1][2]
八个月相,怎样辨认才不混淆
目录 ↑| 阶段 | 可见亮区与变化 | 大致观察线索 |
|---|---|---|
| 新月(朔) | 直接受阳光照亮的部分几乎背向地球 | 与太阳接近同升同落,通常看不见 |
| 盈眉月 | 不足半圆,亮区逐渐增大 | 日落后西方低空较常见 |
| 上弦月 | 约半个圆盘明亮,仍在盈的阶段 | 约中午升起,傍晚在天空,午夜前后落下 |
| 盈凸月 | 超过半圆,向满月发展 | 下午升起,夜晚可见 |
| 满月(望) | 可见圆盘近乎全亮 | 约日落升起、日出落下 |
| 亏凸月 | 超过半圆,但亮区逐渐减小 | 日落后升起,随相位推移越来越晚;早晨仍可能可见 |
| 下弦月 | 约半个圆盘明亮,仍在亏的阶段 | 约午夜升起,中午前后落下 |
| 残月(亏眉月) | 不足半圆,继续缩小 | 日出前东方较常见 |
“盈”和“亏”说的是亮区随时间增大还是缩小;“眉”和“凸”说的是不到半圆还是超过半圆。只看一张没有方向和时间信息的局部照片,有时无法可靠判断盈亏。连续两晚比较亮区,或者结合月亮相对太阳的位置、出现时段,往往比背诵“左亮还是右亮”更稳妥。[1]
上弦和下弦中的“弦”可以帮助记住那条近似直线的明暗边界。“一季度月”这类英文直译容易让人误以为只看见四分之一个圆盘;实际弦月看到约半个明亮圆盘。四分之一指的是月相周期所处的阶段。还要区分圆盘面积与球面面积:眼前圆盘的一半,不等于整个月球表面的一半。[1]
左右口诀还有观察朝向的限制。月球在天空中的倾斜外观会随观察地点、时刻和它相对地平线的位置变化,同一个亮弯可以看起来竖着,也可以斜着。这里的轨道图采用从北侧俯视的约定;它不是任意地点抬头所见的照片。判断时应抓住“亮侧指向太阳所在方向”的照明关系,而不是把纸面的左右当作宇宙固定的左右。[1]
一个月为什么有两种长度
目录 ↑如果用遥远恒星作为方向标记,月球绕地球一周平均约需 27.3 天,这称为恒星月。如果从一次新月量到下一次新月,平均却约需 29.5 天,这称为朔望月。二者量的是不同的“回到原处”:前者回到相对于恒星的方向,后者回到日、地、月近似相同的相对几何关系。[1]
差别来自地球也在运动。月球完成一次相对恒星的绕行期间,地球已沿绕日轨道向前走了一段,地球看向太阳的方向也跟着改变。月球回到原来的恒星方向时,还没追上新的日地连线,需要再往前运行一小段。因此,月相重复比相对恒星转完一圈慢。[1]
用 P≈27.3 天、Y≈365.25 天估算,得到 S≈29.5 天。可把它想成两名同向绕圈的跑者:较快者回到跑道上的某个标记,并不等于又追上较慢者。这个比喻解释了为什么要减角速度,而不是简单把两个周期相加。真实轨道并非完美的匀速圆周,不能用 29.5 这个平均数倒推出某年每一次新月的精确分钟。[1]
为什么月亮并不只在夜里出现
目录 ↑月球什么时候在地平线上方,首先取决于它在天空中相对太阳的位置。新月与太阳方向接近,因而大致同升同落;满月与太阳方向相反,因而太阳落下时它大致升起。两个弦月处在中间关系:上弦适合傍晚观察,下弦则适合后半夜和上午观察。白天看见月亮,不是罕见的运行异常,而是这些几何关系的正常结果。[1]
这里同时存在快慢两种运动。一天之内,地球自转使月亮像太阳和恒星一样总体上从东向西移过天空;隔着几个晚上看,月球绕地球运行又使它相对于恒星背景向前移动。因此,连续几天在相同钟点寻找月亮,它通常不会停在昨天同一个位置,升起时间也会推迟。把“每天从东边升起”和“在轨道上向前走”分开,就不会把它们误认为矛盾。[1]
为什么不是每逢满月就发生月食
目录 ↑普通月相的暗区属于月球自己的夜晚;月食的暗区则是地球投到月球上的影子。月食只能在满月附近发生,因为这时地球才可能位于太阳与月球之间。日食只能在新月附近发生,因为这时月球才可能位于太阳与地球之间。但“可能”不是“必然”:还需要三者排得足够齐。[2]
月球轨道平面相对地球绕太阳的轨道平面倾斜约 5°。想象两只稍微倾斜的圆环相交:月球多数时候在另一轨道平面的上方或下方。即使到了新月或满月,它通常仍从太阳方向或地球影子的上方、下方错过去。只有相位合适、月球又接近两平面的交会方向时,才可能发生食。[2]
月全食时月亮有时呈铜红色,也不是“月球突然变成红色发光体”。地球挡住了直射阳光,但擦过地球边缘的部分光线会穿过大气,并因折射改变方向,进入几何阴影中的月面。这些光走过较长的大气路径时,蓝紫光更容易被散射出去,剩下的红橙光相对突出;月球再把它反射给我们,就显得暗而偏红。遮住直射光、折射改变光路、散射改变透过光的颜色,合在一起才解释了为什么“进了影子”不一定漆黑。[2][6]
同一张脸,为什么还会轻轻摇摆
目录 ↑我们总是大体看着月球同一侧,这与月相变化不是同一件事。月球自转一周与绕地球公转一周的时间大致相同,称为同步自转;这让同一侧长期朝向地球。若月球完全不自转,随着它绕地球运动,反而会把各个方向陆续转给我们看。可以拿一支箭头始终指向房间中央的人,绕他走一圈:你要不断改变身体朝向,走完时也转过了一圈。[5]
“总是同一侧”也只是近似。月球沿椭圆轨道运行时快时慢,自转却相对均匀,二者不完全步调一致,使我们时而多看到东边缘,时而多看到西边缘;轨道与观察方向的倾斜还会改变南北边缘的可见程度。这种视角上的小幅摆动叫天平动。它解释的是可见地形边缘的变化,不是新月到满月的主因。[1][5]
月球背面因此不能叫“永远黑暗的一面”。背面是长期背向地球的半球;夜面是某一时刻背向太阳的半球。月球背面也经历日夜,近地面也经历日夜。新月附近,我们面对的近地面较暗,而背面大部分受到阳光照明;满月附近则大体相反。[1][5]
用一个傍晚,检验这套解释
目录 ↑假设你在日落后的西方天空看到一弯细月,旁边没有遮挡它的云。先只记录三个可见事实:出现的时间段、它与太阳落下方向的关系、亮区不到半圆。结合前面的几何关系,可以推断它很可能是盈眉月。再隔一天在相近时刻看,若亮区变宽、月亮与落日方向的间隔增大,就为这一判断提供了第二组证据。这里是一种教学情景,并非声称已经做过实际观测。[1]
一个有用的记录表可以有五栏:日期与当地时间、观察地点、面朝的方向、亮区草图、天气和遮挡。用固定位置、相近时刻重复观察几天,比拍一张漂亮照片更能把“相位随时间变化”这件事显出来。如果某天没看到,应写“云遮/视野受阻/未找到”,不要直接写“新月”;没观测到与对象不存在是两种不同判断。[1][4]
薄眉月旁有时还能隐约看见暗面的整圆轮廓,这是地照:阳光先照到地球,被地球反射到月球暗面,再反射到我们眼中。亮眉与灰暗圆面对应不同的照明路径,所以能在同一张月面上同时存在。地照并不让那次月相变成满月,月相名称主要描述直接日照的可见部分。[1]
若改在上弦附近观察,晨昏线附近的山地和环形山往往更有立体感,因为斜照的阳光留下较长阴影。满月虽然明亮,向阳面较正对我们,许多地形阴影反而不显著。先辨认月海等大尺度明暗区域,再比较晨昏线附近的起伏,会比只追求放大倍数更容易理解图像。不要把指向太阳附近的观测当作寻找新月的方法,也不要用双筒镜或望远镜朝太阳扫视。[4]
月相怎样连接潮汐与历法
目录 ↑月相和潮汐都受日、地、月相对位置影响,但月光不负责拉动海水。潮汐与引力在地球不同位置的差异有关。新月、满月附近,太阳与月球的潮汐作用组合通常产生较大的潮差,称大潮;两个弦月附近则通常产生较小的潮差,称小潮。这说的是涨落幅度的关系,不等于所有地方都在满月那一刻达到最高水位。[3]
海岸形状、海底地形、风和天气等会影响当地潮时与潮高。所以不能仅凭月相安排涉水或航行,更不能把“满月有大潮”简化成某个码头的钟点预报。月相提供了理解大尺度周期的线索,具体地点的水位则需要当地资料。[3]
月相周期接近人们熟悉的“月”,却不是整数天。用朔望月理解月份的来源时,要记住自然周期与历法规则属于不同层次:前者由天体运动决定,后者还要决定如何安排整数日期。本文解释周期的天文学基础,不据此推断任何具体历法的置闰制度或某个月的天数。[1]
把几个常见误解拆开
目录 ↑| 容易混淆的说法 | 更准确的区分 |
|---|---|
| “月牙是被地球挡住了一块” | 普通盈亏来自照明与观察方向;地球阴影造成的是月食。 |
| “半个月亮表示太阳只照亮四分之一月球” | 太阳通常照亮约半个月球;弦月只是其中一部分进入我们的视野。 |
| “看不见月亮就一定是新月” | 天气、地形、观察时段和月亮是否在地平线上方同样重要。 |
| “月亮不自转,所以总朝着我们” | 同步自转使自转与公转配合,才大体保持同一侧朝向地球。 |
| “满月必有月食” | 还需要轨道平面位置合适,约 5° 的倾角使大多数满月错过地球影子。 |
| “一个月就是 27.3 天” | 恒星月约 27.3 天,月相重复的朔望月约 29.5 天;历法月另有规则。 |
模型能解释什么,不能预报什么
目录 ↑用一个固定光源、一个球和一个观察位置,就能解释月相的主因、八个名称的顺序、上弦与下弦的区别,以及大致可见时段。这种简化的长处是把因果关系显出来:只要改变光照与视线的夹角,亮区就会变化,不需要另加一块遮挡月面的“黑布”。[1]
它的边界也很明确:真实月球轨道是椭圆并有倾角,观察者站在自转的球形地球上,地平线和大气还影响实际可见情况。因此,本页表格不能给出你所在城市今晚的精确升落时刻,平均周期不能代替星历,平面图不能按比例测量地月距离。把这些限制说清楚,正是从“记住月相名称”走向“理解月相模型”的一步。[1][2]
读完后,可以用三个问题自检:如果月亮在太阳的相反方向,它大致是什么相位、什么时候升起?为什么月球对恒星转完一圈后,还要继续走才能再次成为新月?为什么每次满月并不发生月食?分别从观察几何、相对角速度和轨道倾角回答,就已经掌握了这套解释的主干。[1][2]