從金星凌日到水星凌日

□ 星渺微塵

?

從金星凌日到水星凌日

□ 星渺微塵

2016年5月9日，一次水星凌日天象即將上演。一提起凌日，想必大家還對前幾年的金星凌日記憶猶新，那么水星凌日和金星凌日有什么不同呢，它又有什么看點呢？下面我們就一起來探究關于凌日的那些奧秘。

什么是凌日

漢語中，“凌”有穿過、經(jīng)過的意思，那么凌日指的就是小一些的天體穿過日面的現(xiàn)象。如果是一個與太陽看上去差不多大的天體穿過太陽，我們就不說“凌”了，而是稱之為“食”。例如月球擋住太陽就是日食，而不說“月球凌日”。如果前方的天體看起來比背景天體大很多，我們就稱為“掩”，例如月掩星。實際上，無論是“凌”“食”“掩”，都是一類天象，只不過產(chǎn)生的視覺效果不同。

相對比較常見的凌日是人造天體凌日，如著名的國際空間站凌日。這樣的凌日雖然時常發(fā)生，但人造天體移動得太快，觀測的難度比較大。除此之外，我們能想到的其他凌日天體，也就是水星、金星這兩顆內行星了。

位于地球公轉軌道內側的行星只有水星和金星，所以我們在地球上只能看到這兩顆行星的凌日，外行星是不會凌日的。如果你能到火星上觀測，那就還有可能看到“地球凌日”。當然，處于軌道更靠外的行星上，你能看到的凌日種類也就越多。但現(xiàn)在，我們先不考慮那么多，把思緒拉回到地球上，看看我們能觀測到的水星和金星凌日。

內行星與外行星相對于太陽的運動示意圖

罕見的金星凌日

無論是水星凌日還是金星凌日，都只是一個小黑點，在數(shù)小時內緩慢移動穿過太陽表面。這類天象的精彩程度完全無法與日食相比，但為什么每次凌日媒體都會炒得沸沸揚揚，進而引起全世界的廣泛關注呢？其中一個重要原因就是它們都很罕見。根據(jù)計算，水星凌日每百年大約發(fā)生13次，而金星凌日的頻率更是低到每百年不到2次。

內行星在其公轉軌道上相對地球和太陽有四個特殊位置，分別是上合、東大距、下合、西大距。無論是水星還是金星，由上合經(jīng)東大距運行到下合位置期間，它會在傍晚出現(xiàn)在西邊天空中，為昏星；而它繼續(xù)經(jīng)西大距回到上合位置過程中，會在早晨出現(xiàn)在東邊天空中，為晨星。在下合期間，內行星位于地球和太陽之間，這就是可能發(fā)生凌日的時刻。

金星凌日的多張疊加照片

水星公轉周期為87.97天，金星距離太陽更遠，繞日一圈需要將近224.65天，而地球則是365.25天。根據(jù)會合周期公式，我們可以計算出在地球上觀測，水星下合的間隔是115.93天，金星則長達583.92天。如果水星和金星的公轉軌道都與地球在同一個平面內，那么每次下合都會發(fā)生凌日，凌日的周期也就是上面的會合周期。然而理想很豐滿，現(xiàn)實卻很骨感，水星和金星的實際軌道并不與地球共面，這就是導致凌日非常罕見的直接原因。

2012年6月6日的金星凌日，凌始內切。

我們先來看看金星凌日，雖然更為少見，但其規(guī)律卻要比水星凌日簡單。日食有“食限”的概念，也就是說月球需要在黃白交點附近一定范圍內，且趕上“朔”才會發(fā)生日食。凌日的情況與之類似，金星公轉軌道與黃道的夾角約為3.4°，也有升、降兩個交點，下合時金星與太陽的角距離最多可達8.9°，而太陽的視圓面不會超過30′，因此下合必須與交點非常接近才會發(fā)生凌日，我們可以把這個界限稱為“凌限”。金星凌日的凌限大約是1天多，也就是說下合與金星通過交點的精確時刻相差2天以內，就會發(fā)生凌日。

假設某一時刻發(fā)生了金星凌日，即金星不僅處于下合位置，還在其軌道與黃道的某個交點上。而下次金星和地球再次回到同一位置時，肯定還會發(fā)生凌日。那么多長時間后它們會出現(xiàn)在同一個位置呢？金星和地球的運動是否存在更大的周期呢？我們只需要對金星公轉周期和會合周期取一個最小公倍數(shù)。當然，這幾個數(shù)值都非常精確，取最小公倍數(shù)只能是在一定的精度上完成。相對粗略的公倍數(shù)是8個地球年，即2922天，相當于13.007個金星年和5.004個會合周期。也就是說，一次金星凌日之前或之后的2922天，也會發(fā)生一次金星凌日。但由于已經(jīng)差了1天多，再向前或向后推8年，金星就會離交點更遠，超過凌限，也就不會有凌日發(fā)生了。如果計算一個更精確的公倍數(shù)，我們會得到88757天。地球上的243年是88757.3天，金星公轉395圈是88756.9天，而152個會合周期是88755.8天。這個誤差更小，顯然是金星凌日更加穩(wěn)定的周期。在這個周期里，金星開始為兩個間隔8年的相同交點凌日，再間隔100多年出現(xiàn)兩個同樣間隔8年的另一個交點凌日，100多年之后又是一對同交點凌日，周而復始。

觀眾來到北京天文館觀測金星凌日

2 0 1 2年金星凌日觀測活動工作人員合影

有一個很重要的問題，金星不同交點發(fā)生的凌日情況不同。近幾個世紀，金星降交點是在6月8日前后，升交點在12月10日前后。由于金星和地球的軌道都是橢圓，因此升、降交點發(fā)生凌日時兩者的距離不同，升交點平均為3900萬千米，降交點則為4300萬千米。相同情況下，金星距離我們越遠的下合越容易發(fā)生凌日。因此在上面提到的正常周期下，6月的凌日不會缺席，而12月的凌日有時會出現(xiàn)金星只是從日面邊緣掠過的情況，地球上有些地方即使是在白天也觀測不到。但升交點凌日金星距離我們更近，視面積會大一些，觀測效果更好。好消息是下一次金星凌日就是升交點凌日，壞消息是它將發(fā)生在2117年12月11日。

水星凌日

說了半天金星凌日，我們大家今生可能都無緣再看了，而水星凌日確實近在眼前。

水星凌日發(fā)生的條件與金星凌日相同，即“交點附近的下合”，但它出現(xiàn)的頻率更高，主要由以下兩方面因素導致。首先，水星的會合周期比金星短，每年都會有3次下合，因此更容易趕上其穿過軌道交點的時刻。其次，雖然水星軌道與黃道面的夾角可達7°，但它距離地球更遠，下合時平均也有9300萬千米，凌限反而更大，即更容易發(fā)生凌日。但水星公轉軌道受太陽影響很大，除了傾角大以外，偏心率也很大。地球和金星的軌道雖然并非正圓，但十分近似，而水星的軌道偏心率大于0.2，為行星中最大的。因此水星凌日的規(guī)律非常復雜，大致為平均每百年出現(xiàn)13次。水星的降交點是在5月8日前后，升交點是在11月10日前后，通過升交點時的水星距離地球更遠，發(fā)生凌日的概率也更大。在近50次水星凌日中，發(fā)生在11月的有35次，而5月的則只有15次。

說到這兒大家就應該明白了，5月的水星凌日幾乎和金星凌日一樣罕見了。如今年這次之后，下個5月水星凌日要等到2049年了。很少有人一生中能看到兩次金星凌日，而能看到兩次以上5月水星凌日的人也是鳳毛麟角。

水星凌日示意圖

凌日的觀測

下合期間是金星距離我們相對較近的時段，其大小已經(jīng)接近了人的肉眼分辨能力，早在望遠鏡發(fā)明之前人們就關注過金星凌日天象。但即便如此，在升交點凌日期間金星的視面積也不過1′多一點，如果不是對其運行規(guī)律有很精確的計算，再配上極佳的視力，很難把它和太陽黑子區(qū)分開來。最早關于金星凌日的記錄來自阿拉伯科學家法拉比，他在一張羊皮紙上寫道：“我看見了金星，它像太陽面龐上的一粒胎痣?！睋?jù)推算，他看到的是發(fā)生在公元910年11月24日的金星凌日。當然，他也極有可能是將太陽黑子誤認成了金星。第一個將金星軌道精確計算并預測金星凌日的是天文學家開普勒，但由于存在誤差，他預報的1631年的凌日在歐洲并沒有被觀測到。之后1639年的金星凌日是人類首次使用天文望遠鏡對其進行科學觀測。

在觀測凌日方面，筆者算是幸運兒，此前已經(jīng)成功看到了兩次金星凌日和一次水星凌日，并且兩次金星凌日是在同一個地點觀測的。2004年，剛剛入職北京天文館，筆者趕上的第一個大型觀測活動就是6月8日的金星凌日。那次凌日具有劃時代的意義，因為再之前的一次是1882年，可以想象這120多年里人類社會的發(fā)展變化是多么巨大。19世紀時的天文觀測也就是個別人和個別地區(qū)的行為，而2004年的金星凌日已經(jīng)實現(xiàn)了全球網(wǎng)絡直播。遺憾的是，當時筆者的觀測僅限于肉眼，并沒有留下哪怕一張照片。2012年6月6日清晨，天空中烏云密布，但筆者還是早早來到了北京天文館，架好望遠鏡，等待日出后的入凌。那次的運氣非常好，雖然天氣預報比較悲觀，許多同事也紛紛離京前往其他地區(qū)觀測。但在入凌過程和中段的大部分時間，太陽還是從云縫中探出頭來，也有數(shù)百名觀眾專程來到天文館觀測這次凌日。這兩次凌日期間，金星的角直徑都接近58″，可以在佩戴太陽觀測鏡的情況下直接用肉眼看到。

筆者在觀測水星凌日

水星的半徑只有2440千米，甚至比木衛(wèi)三、土衛(wèi)六還要小，并且同樣是下合期間，它比金星距離還遠，視面就更小了，所以觀測水星凌日是離不開望遠鏡的。但望遠鏡和太陽之間，絕不能那么直接面對，必須采取減光措施，在望遠鏡物鏡端罩上巴德膜，是最簡單和安全的方式。通常大家能買到的巴德膜是A4紙大小，需要對其進行剪裁，在硬紙板上開好適合望遠鏡口徑大小的洞，然后用透明膠將巴德膜的邊緣牢牢粘在紙板上，這樣才能適用于你的望遠鏡。有的人可能會覺得，日出之后不久和日落之前的太陽并沒那么耀眼，是不是就不用減光啦？事實上，望遠鏡對光的匯聚能力很強，當你長時間盯著目鏡中的太陽看時，視網(wǎng)膜實際上在持續(xù)受到灼燒的傷害，往往感覺到疼痛就為時已晚了。因此，在觀測太陽時大家一定要注意采取減光措施，即便是在透明度很差、太陽光確實很暗的情況下，可以嘗試用相機拍攝，也盡量不要用肉眼直接看。

2006年11月9日的水星凌日，水星（日面右上邊緣）即將移出之前。

巴德膜

2006年11月9日清晨，北京天文館的工作人員和一些天文愛好者來到位于北京南郊的南海子麋鹿苑，對21世紀首次升交點水星凌日進行了觀測，當時的情景令人至今難忘。日面上的水星只是一個很小的點，不仔細觀察很容易和黑子相混淆。那次水星距離地球約1億千米，角直徑只有13″左右，不使用望遠鏡是根本看不到的。而且在北京只能看到帶凌日出，也就是凌日過程最后很小的一段。盡管如此，大家依然興致高昂，進行了照相和攝像觀測。

時光飛逝，一晃九年，水星凌日再次回到了我們的視野。作為降交點凌日，這次的觀測條件稍好，水星的角直徑接近16″。在天文學家看來，水星凌日依然是研究太陽、水星及其運動規(guī)律的好機會。但水星凌日并非能給我們帶來震撼的天象。本次凌日，我國可見的區(qū)域主要在西部，且越往西見凌時間越長。小型的雙筒望遠鏡都比較難看清水星，這意味著你需要攜帶一臺較大口徑的望遠鏡，因此非專業(yè)人員長途跋涉去觀測水星凌日似乎不太值當。但對于不想錯過任何一次凌日的你來說，又有什么是不可能的呢？

（責任編輯 張恩紅）