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中秋节后闲话明月
    时间:2015-10-26     点击率:19436

中秋节后闲话明月

——超级月亮,红月亮,蓝月亮 

木 白

中秋节,对我们华人而言,代表着团圆、团聚,因为人们在中秋时分常常可以欣赏到那挂在天幕上圆圆的白玉盘。此情此景令人浮想联翩,有情怀的还可以摆下杯盏,或伴月起舞,或吟诗唱和,或随影独思。苏轼曾赋诗吟唱道:“人有悲欢离合,月有阴晴圆缺,此事古难全。”月球进行自转的同时围绕地球旋转,地球进行自转的同时围绕着太阳旋转,这样我们就看到了满月和新月的差异,还看到了超级月亮、红月亮、蓝月亮等奇特的天象。所以,苏轼在他的《水调歌头》中以一句“明月几时有,把酒问青天”开宗明义,告诉我们:这一切都是大自然的造化,不以人的意志转移

一、超级月亮”是处于近地点的满月

近几年,“超级月亮”不时地出现在各类媒体上,那么到底什么是“超级月亮”呢?其实,它不过是一个较大、较亮的“满月”而已!

大家知道,在农历的每月初一,月球会运行到太阳与地球之间,此时的月亮以黑暗的一面对着地球,并且与太阳同升同没,人们无法看到它。这样的“缺”月相叫“新月”(或“朔月”)。到了农历十五、十六时,月亮运行到太阳的正对面,即地球位于太阳和月亮之间,从地球上看去,月球的整个光亮面对着地球,这样的“圆”月相叫“满月”(或“望月”)。黄昏时满月由东边升起,黎明时向西边沉落。此外,现代的科学知识告诉我们,月球是在一个椭圆轨道上绕地球运行的,而地球位于椭圆轨道的一个焦点上,如图1所示(图中1,2表示运行中月球的两个不同位置,3为地球)。这就是说,在运行过程中,月球与地球间的距离是不断变化着的,在远地点1处为40.6万千米,在近地点2处则为35.7万千米。因此,人们在地球上看到的月亮大小其实一直是在变化着的,只是常人肉眼往往察觉不到罢了

1 月球绕地球运行轨道示意图

“超级月亮(Super moon)”是指月球运行到轨道近地点的同时,正好又是满月的一种天象。超级月亮其实不是什么新鲜的天象,基本上每年都会来跟公众“报到”一次。它是由月球运行的两个周期决定的:月球从近地点走到远地点,大概要花27天多的时间;而月亮从圆到缺的周期,大概为29天多(这被称作一个朔望月)。这样一来,在月球的运行过程中,大概每隔1年零50天就会在走到近地点时碰上圆月,这就是我们所说的“超级月亮”。由于两个周期都是无理数,严格来说,超级月亮发生时,两个周期并不是完全重合,因此每年的超级月亮大小也不尽相同。2011319日,月球到达19年来距离地球最近位置,它与地球的距离仅有35万多公里,从地球上观看,月球比远地点时面积增大14%(参见图2),亮度增加30%,第一次被号称为“超级月亮”。这是因为一个物体的视觉大小和视觉亮度与距离的平方成反比。

2正常月亮和超级月亮大小比较

正如前述,对于天文学家而言,超级月亮并非奇特现象,这个说法是由美国占星师理查德·诺勒(Richard Nolle)在1979年提出并定义的(“超级月亮”一词并不存在于专业天文词典里)。他自己的网站上发表了一系列文章,指出2011319日的满月正处“近日点”上,而且预言:那天的月亮不仅会比平时的更大、更亮,还将会引发严重的地震、火山或者其它自然灾害。这个预言沉寂了一段时间,但随着“超级月亮”的迫近,人们对它的关注越来越高,很多媒体对该预言做出了反应。201139日,英国《每日邮报》发表文章表示:这次抵达近日点的月亮,只是看起来大一些而已,并不会引起地震和火山爆发。同日,美国一家天文科学网站发表了题为《319日的超级月亮会引发自然灾害吗?》的文章,驳斥了这则预言。次日,一个著名天文学网站发表文章《2011319日,是“超级月亮”还是“超级炒作”?》,更尖锐地批驳了这个由占星学家做出的预测。在维基百科英文版的“月球轨道”词条中,甚至也一度加入了对“超级月亮”的批判。就当人们发觉辟谣文章比流言文章还要多、逐渐对这则预言渐渐失去兴趣的时候,日本大地震爆发了。2011311日下午,日本东北海域发生了9.0级强烈地震,海啸伴随着地震波对日本本州岛东北沿海造成了巨大的破坏。流言又重新活跃了起来,不少人认为这则预言应验了,日本的这次地震海啸是“超级月亮”降临的结果。

这里,让我们用数据来分析一下更近的月亮对地球影响到底有多大?“超级月亮”能不能导致日本地震这类自然灾害?牛顿万有引力定律告诉我们,地球上的物体会受到月球引力的影响。根据万有引力公式F=GmM/r2(这里,G是万有引力系数,m和M分别是物体和月球的质量,r是物体和月球质心间的距离),我们可以得知:当月球处在远地点的时候,地球上每1千克的物体会受到3.019×10-5N的引力;当月球处在近地点的时候,这个引力的平均值是3.761×10-5N(因为月球轨道近地点在3%幅度内变化);而3月19日这一次近地点更接近地球,“超级月亮”造成的引力是3.903×10-5N。这样的引力对于地球上的物体而言是微乎其微的。对一个成年人来说,这次的“超级月亮”带来的影响只相当于一两根头发的重量。相对而言,太阳对地球的影响就大多了,1千克的物体会受到太阳5.737×10-3N到6.141×10-3N的引力,是月球引力的100多倍。所以,仅根据地球与月亮的距离来预言地质灾害,而完全不考虑太阳的参数的做法显然是不科学的。而且月球与地球的距离每天都是变化的。3月11日的日本大地震与3月19日的“超级月亮”之间相隔8天,而在5天之前的3月6日,月球正处于它的远地点上。事发当天,地月距离大于平均距离,所以把这次地质灾害归咎于月球引力实在是有些说不过去。当然,地月距离变化带来的引力差异,可能会给地球上带来一些诸如潮汐变化之类的影响,如果这个时候遇到风暴潮,那么也许会产生不同凡响的巨大洪流。但是,到目前为止,还没有科证据(包括统计数据)表明地震和其它自然灾害与“超级月亮”有任何关联可循。

3美轮美奂的超级月亮视觉景观

二、“红月亮”其实就是月全食

2015928日,在西半球,人们能够目睹一出“超级月亮”与“血月”同时出现的天文奇观。前面我们已经介绍了,所谓的“超级月亮”,是指月球运行至近地点的满月;而“血月(Blood moon)”,则指月食或月全食时出现的红色月亮。两者同时上演,十分罕见,自1900年以来,“月全食和超级月亮”同时发生总共有五次,分别出现在1910年、1928年,1946年,1964年和1982年。换言之,上一次“血月”发生在33年前,而下一次血月将发生在2033年,也就是说还得等上18年!而且,今年中秋夜的月全食,是最近两年内连续有四个月都出现月全食的情况(被称作“连环四月食”),这是第四次。这个记录,500年以来只有三次。无怪乎各路媒体争相报道,甚至把今年中秋节的天象称作“超级血月”。图4是在北美加拿大地区距多伦多两个多小时的皮德博诺镇(Peterborough)拍下的“红月亮”的罕见美图。

4加拿大皮德博诺镇(Peterborough)“红月亮”

为什么血月(或者说,红月亮)总是在发生月全食的时候出现呢?这是因为浓厚的大气层把紫、蓝、绿、黄光都吸收(或散射)掉了,只剩下红色光可以穿透过来。大气层将红色光折射到月球表面上,所以我们仍然能看到:在地影里,红红的月亮挂在天空中。

下面我们来简单说明一下所谓的“地影”吧。地球在太阳的照射下,在它的后方会有一个锥形的阴影区域,如图5所示,地球的“影子”可分为“本影”和“半影”。本影区就是被地球完全遮挡的地方,而半影区则是地球部分地挡住了太阳的区域。月亮进入地球半影发生半影月食,月亮一部分进入地球本影发生月偏食,月亮全部进入地球本影则发生月全食。据观测资料统计,每世纪中半影月食、月偏食、月全食发生的百分比约为36.60%,34.46%和28.94%。在这三种月食中,月全食最为壮观,呈现暗淡而美丽的古铜色或微红色,也就是大家所称的“红月亮”。应当指出的是,月全食都发生在望(满月),但不是每逢“望”都有月食,这和每逢“朔”不都出现日食是同样的道理。在一般情况下,月亮不是从地球本影的上方通过,就是在下方离去,很少正好穿过或部分通过地球本影,因此,一般情况下就不会发生月全食。每年发生月食数一般为二次,最多发生三次,有时一次也不发生。因为黄道(地球绕太阳运行轨道)和白道(月球绕地球运行轨道)之间有大约5°的交角存在,所以只有太阳和月球分别位于黄道和白道的两个交点附近时,才有机会连成一条直线,产生月食。

5 地球的本影、半影示意图

现在问题就来了,既然本影区是地球完全遮挡住太阳的区域,按理说,本影区应该没有任何光,为什么月亮还会“血色浪漫”呢?答案是:地球的大气层在作怪。原来大气层会折射和散射太阳光的。所以,尽管地球完全遮挡住太阳,形成了一个本影区,使月亮完全躲藏在地球的背后,但是由于大气层的“捣乱”,月亮无法完全逃出太阳的势力范围,被大气层折射的部分阳光还是会照到月亮表面上(参见图6)。

6 全食“血月”示意图

大气层偏折了太阳光,以至于阳光拐了个弯,又照在了月球上,血色一片。但问题又来了:为什么偏偏出现的是红光呢?这就要从太阳光的构成说起了。大家知道,我们平常见到的白色太阳光是由七种颜色的光合成的,中学生在物理课上做过的三棱镜实验便证明了这点(参见图7)。这些成分的波长不同,红光的波长最大,其他颜色光的波长较短。在穿越大气层过程中,除了红光子和部分橙光外,大部分其他颜色的光都被散射掉了。这就和我们在清晨总是看到红红的太阳是同一个道理。

7 太阳光的折射现象

这里要告诉大家月食现象与科学研究有着密切关联。最早的月食记录是公元前2283年美索布达米亚的记录,其次是中国在公元前1136年的记录。对于月食现象的观测和探讨一直推动着人类认识的;公元前3世纪的古希腊天文学家阿利斯塔克和公元前2世纪的西帕恰斯都提出通过月食测定太阳、地球、月球的相对大小,西帕恰斯还提出在相距遥远的两个地方同时观测月食,来测量地理经度;早在1881年前,中国汉代天文学家张衡就弄清了月食原理;到了公元2世纪,托勒密利用古代月食记录来研究月球运动,这种方法一直延用到今天。在火箭和人造地球卫星出现之前,科学家一直通过观测月食来探索地球的大气结构。怪不得天文学家有着大量关于月食研究的结果。

8 美不胜收的红月亮视觉景观

三、“蓝月亮”是一场美丽的误会

蓝月亮”(Blue moon)这个词主要起源于西方国家。19465月,《天空和望远镜》杂志刊登了一篇文章,该文误认为月亮呈现蓝色和“一个月的第二次满月”之间存在着必然联系。但后来天文学家证实,这一说法是错误的。但这个美丽的辞藻被保留下来了,在天文历法和年鉴中,当一个季度出现四次满月时,第三个满月就被赋予一个充满神秘浪漫色彩的名字——蓝月亮。

根据历法计算,满月每隔29.5天出现一次。由于在公历历法中,每个月的时间不尽相同:大月为31天,小月为30天甚至28天。这样就出现了一个时间差,导致一个月可能同时出现两个满月。平均来说,每过32个月会出现一次“蓝月亮”,但在1999年,曾经在三个月时间里出现了两次蓝月亮。

     

9 偶然一见的蓝月亮视觉景观

由于罕见,天文学家便赋予它“蓝月亮”这个神秘而浪漫的名字,然而蓝月亮并非指蓝色的月亮。从天文科学观点分析,月亮颜色与其反射的太阳光有关,而与具体日期没有任何关系。在通常情况下,月亮发出珍珠白的颜色,有时可见淡黄色。这是直接反射“本色”太阳光的结果。但在某些偶然情况下,比如环境污染时,地球大气中集结的小尘埃,或者其中夹杂着的大量小水珠,将太阳光的红光散射掉,蓝色的月亮就可能出现在天空中。因此真正的蓝月亮出现的时候,一定是气候、环境条件特别的状况。例如,1883年,印尼喀拉喀托火山爆发,火山灰飘到地球大气层高处,当夜人们看到的月亮就变成了蓝色。但是,我们必须记住:蓝月亮现象是天体运行自然规律所致,把自然灾害与“蓝月亮”联系在一起是没有科学依据的。

的确,蓝月亮着实是一场美丽的误会!不过,抛开天文学,在日常生活中,自19世纪以来,人们开始用bluemoon来形容“罕见、不常发生的事情”。英语中,有这样一条短语:“偶见蓝月”(once in a bluemoon),它常被用来描述“千载难逢”的事物。

四、从奇特天象想到牛顿的伟大发现

现在,天文学家可以精确预报超级月亮、红月亮、蓝月亮以及许多其它奇特天象的发生时间。这要归功于伟大的力学家牛顿关于万有引力定律的伟大发现。

牛顿从1665年至1685年,花了整整20年的时间,沿着离心力向心力重力万有引力等力学概念的演化顺序,终于提出了“万有引力”概念以及万有引力定律。牛顿在他的巨著《自然哲学的数学原理》第三卷中写道:“最后,如果由实验和天文学观测,普遍显示出地球周围的一切天体被地球重力所吸引,并且其重力与它们各自含有的物质之量成比例,则月球同样按照物质之量被地球重力所吸引。另一方面,它显示出,我们的海洋被月球重力所吸引;并且一切行星相互被重力所吸引,彗星同样被太阳的重力所吸引。由于这个规则,我们必须普遍承认,一切物体,不论是什么,都被赋予了相互的引力(gravitation)的原理。”

万有引力定律的发现,是十七世纪自然科学最伟大的成果之一。它把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一了起来,在人类认识自然的历史上树立了一座里程碑。

万有引力定律揭示了天体运动的规律,在天文学领域和宇宙航行计算方面有着广泛的应用。它为实际的天文观测提供了一套计算方法,可以只凭少数观测资料,就能算出长周期运行的天体运动轨道,哈雷彗星、海王星、冥王星的发现,都是应用万有引力定律取得重大成就的例子。利用万有引力公式和开普勒第三定律等还可以计算太阳、地球等无法直接测量的天体的质量。牛顿还解释了月亮和太阳的万有引力引起的潮汐现象。他依据万有引力定律和其他力学定律,对地球两极呈扁平形状的原因和地轴复杂的运动,也做了成功的说明。

牛顿的功绩不仅限于力学、天文学,他的发现对文化发展也有着重大的意义:使人们建立了有能力理解天地间的各种事物的信心,解放了人们的思想,在科学文化的发展史上起了积极的推动作用。

最后,让我们再一次来欣赏2015年中秋的红月亮天象吧!

10 2015中秋超级红月亮的奇特天象序列(合成图)