月球軌道(黃道面上方)
(黃道面下方)
升交點/降交點
本影與半影
台灣
拖曳月球沿軌道移動、拖曳升交點轉動交點線,或拖曳小小的近地點標記。地球與月球畫得比實際大(畫面角落寫著放大幾倍)——按真實比例看看它們實際有多小。
拖曳旋轉,滾輪或雙指縮放,右鍵或雙指拖曳平移。月球、軌道與影子都和 2D 畫面相同;用滑桿調整。
從地球看到的月亮——從台灣看,天頂朝上
影子的截面——順著陽光方向看,依比例
從台灣看的天空(北緯 23.5°、東經 121°)——面向南方的 360° 全景,虛線是今天的路徑
背後的物理
月相的成因
月球本身不發光,朝向太陽的那一半永遠是亮的;我們從地球「斜著」看這個亮的半球。設相角 \(i\) 是在月球上看太陽與地球兩個方向的夾角,從地球看到月面被照亮的比例是
\[ k = \frac{1 + \cos i}{2} \approx \frac{1 - \cos\psi}{2}, \qquad i \approx 180^\circ - \psi \]
其中 \(\psi\) 是距角,也就是在地球上看太陽與月球的夾角。近似式把太陽當成無窮遠;精確的相角還要再減去在太陽處的小角 \(\sigma\),\(\sin\sigma = r\sin\psi / d\)(最多約 \(0.15^\circ\))。所以上弦時 \(\psi = 90^\circ\),\(k\) 比一半多一點點。
- 新月(0°):與太陽同升同落,看不到。眉月:日落後在西方低空。上弦月(90°):約中午升起、黃昏時最高、約半夜落下。滿月(180°):日落時升起、日出時落下。下弦月(270°):約半夜升起、中午落下。殘月:黎明前在東方。
- 月球相對太陽每天向東移動約 \(12.2^\circ\),所以月出、上中天、月落平均每天延後 \(24\,\mathrm{h}\times\left(\dfrac{P_{\text{朔望}}}{P_{\text{朔望}}-1}-1\right) \approx 50\) 分鐘。
- 亮面永遠朝向太陽(沿天球上的大圓)。台灣在北回歸線附近,黃道與地平線的夾角很大,所以傍晚西方的眉月常常幾乎「躺著」、亮面朝下,像一艘小船。
恆星月與朔望月
在一個恆星月 \(P_{\text{恆}} = 27.321\,66\) 日裡,月球相對恆星繞地球一圈;但這段時間地球也繞太陽走了約 \(27^\circ\),月球要再多走約 2.2 天,才會再和太陽排成同一個月相。每天轉過的角度滿足
\[ \frac{360^\circ}{P_{\text{朔望}}} = \frac{360^\circ}{P_{\text{恆}}} - \frac{360^\circ}{Y} \;\Rightarrow\; P_{\text{朔望}} = \frac{1}{\dfrac{1}{27.321\,66\ \text{日}} - \dfrac{1}{365.256\,36\ \text{日}}} = 29.5306\ \text{日} \]
其中 \(Y\) 是恆星年。同樣的道理,交點線每 18.6 年向西退行一圈,所以交點月(交點到交點)是 \(27.212\,22\) 日;近地點每 8.85 年向東前進一圈,所以近點月(近地點到近地點)是 \(27.554\,55\) 日。
為什麼不是每個月都有日月食
日食要在新月(朔)、月食要在滿月(望),但這還不夠。月球軌道對黃道傾斜 \(5.145^\circ\),大多數的朔與望,月球都從太陽或地影的上方或下方錯過。只有當朔或望剛好發生在交點(月球軌道穿過黃道面的兩點)附近,也就是交點線大致指向太陽時,才會發生日月食。這樣的時段每年有兩次、每次約一個多月,稱為食季;因為交點在退行,太陽回到同一個交點只要 \(346.6\) 日(食年)。
本影與半影
太陽不是一個點。半徑 \(R_b\) 的天體在距離太陽(半徑 \(R_\odot\))\(D\) 處,身後有圓錐形的本影(整個太陽都被擋住)與越來越寬的半影(只擋住一部分太陽)。在天體後方 \(x\) 處,兩者的半徑是
\[ r_u = (L_u - x)\tan\alpha,\quad L_u = \frac{D R_b}{R_\odot - R_b},\ \sin\alpha = \frac{R_\odot - R_b}{D}; \qquad r_p = (L_p + x)\tan\beta,\quad L_p = \frac{D R_b}{R_\odot + R_b},\ \sin\beta = \frac{R_\odot + R_b}{D} \]
- 地球的本影長 \(1.38\times10^{6}\ \mathrm{km}\),在月球距離處半徑約 \(4600\ \mathrm{km}\)(月球半徑的 2.6 倍),半影約 \(8200\ \mathrm{km}\)。整個月球進入本影是月全食,部分進入是月偏食,只進入半影是半影月食(月亮只是稍微變暗)。
- 月全食時月亮是紅銅色:地球大氣把陽光折射進本影;陽光斜穿過厚厚的大氣時,藍光被散射掉(和夕陽是紅色的原因相同),照到月球的主要是紅光。(模擬畫出這個顏色,亮度有調亮以便看見。)
- 月球的本影長約 \(3.73\times10^{5}\ \mathrm{km}\),幾乎等於月地距離。月球軌道是橢圓(\(363\,300\) 到 \(405\,500\ \mathrm{km}\)),所以本影的尖端有時碰得到地面——日全食(月球看起來比太陽大),有時碰不到——日環食(月球周圍露出一圈太陽)。在本影外、半影裡的人看到日偏食。
\[ \theta = 2\arcsin\frac{R}{d}:\quad \theta_{\text{月}} = 29.5'\ \text{(遠地點)} \sim 32.9'\ \text{(近地點)},\qquad \theta_{\text{日}} = 32.0' \ \text{(1 AU)} \]
中心食的分界,是本影尖端剛好碰到地面:月地中心距離約 \(379\,800\ \mathrm{km}\)。在那一點的地面上,月球與太陽的視直徑正好相等。
觀察重點
- 月相:把月球拖一圈,對照被照亮的比例與台灣天空中的月亮。外圈的八個月相是「從地球看」的樣子(俯視圖中,月球永遠是朝太陽的那一半亮)。
- 月出時刻:把月球放在上弦(90°),移動時間滑桿,直到月亮在東方地平線上——大約是中午。按「+1 天」,月出時刻延後約 50 分鐘。
- 2.2 天:按「+1 恆星月」:月球回到同一顆恆星的方向,月相卻還沒回來;再按「+1 朔望月」比較。
- 製造月食:把月球放在滿月(180°),再拖曳升交點,讓交點線指向太陽。看影子截面圖:月球走進本影。把交點轉開 20°,月食就消失了。
- 全食還是環食:在交點上的新月,把近地點轉向月球(全食)或轉到背面(環食)。
- 食季:先做出一次中心食,加快速度播放:半年後太陽來到另一個交點,日月食又出現;交點在退行,所以食季每年提早約 19 天。
模擬方法
- 使用的數值:地球自轉軸傾角 \(23.44^\circ\);月球軌道對黃道傾角 \(5.145^\circ\)、半長軸(平均距離)\(384\,400\ \mathrm{km}\)、離心率 \(0.0549\);恆星月 \(27.321\,66\) 日、恆星年 \(365.256\,36\) 日、交點退行 18.6 年、近地點前進 8.85 年;半徑:地球 \(6371\ \mathrm{km}\)、月球 \(1737.4\ \mathrm{km}\)、太陽 \(696\,000\ \mathrm{km}\);日地距離 1 AU \(= 149\,597\,870.7\ \mathrm{km}\)。來源:NASA NSSDCA 月球與地球資料表、IAU 2012 天文單位定義、J. Meeus《Astronomical Algorithms》的平均月份長度。
- 運動:太陽沿黃道等速移動(圓軌道)。月球的平均黃經隨恆星月等速增加,在橢圓上的位置由克卜勒方程式 \(M = E - e\sin E\) 每一幀解到電腦的最高精度(所以月球在近地點附近走得快,單一個朔望月約在 29.3 到 29.8 日之間);再把軌道沿交點線傾斜。沒有逐步的數值積分,不會累積誤差。
- 月相與日月食:被照亮的比例由三維位置算出的精確相角求得。日月食由上面的本影、半影圓錐精確判斷:月食看地影在月球處的大小;日食看月影落在球形地球上的情形(全食或環食在影軸與地面的交點判斷)。影子截面圖是在垂直陽光的平面上依比例畫出。
- 台灣的天空:觀測者在球形地球上的北緯 23.5°、東經 121°;恆星時由平太陽決定(太陽在中午前後約 10 分鐘內上中天)。升起、落下是指上緣碰到地平線,並計入 \(34'\) 的大氣折射;時刻由掃描一整天再二分法求得。
- 簡化:地球軌道當成圓(實際日地距離 0.983 到 1.017 AU,太陽視直徑 31.5′ 到 32.5′);沒有計入太陽對月球的攝動(出差等,最多約 1.3°)與大氣使地影變大約 2%;忽略歲差。這是幾何模型,不是日月食預報——真實的日月食日期請查中央氣象署或 NASA。模型的日曆沒有年份,日期由太陽的位置決定。月面暗部的地球照與日月食的顏色都調亮了,方便看見。
- 3D 立體檢視:位置由同一份程式計算;地球、月球、軌道與影子錐使用與 2D 相同的比例(放大或真實比例)。太陽畫得比實際近得多、也小得多(實際在 389 倍月地距離外),光線則和實際一樣是平行光。3D 檢視使用 three.js 函式庫(MIT 授權),只有切換到 3D 時才會下載。
參考資料
- 課綱對應:高中地球科學・從地球看星空(月相、日食與月食)
- 天文數據:月球平均距離 \(384\,400\ \mathrm{km}\)、離心率 0.0549、軌道傾角 \(5.145^\circ\)、半徑 \(1737.4\ \mathrm{km}\) 與恆星月出自 NASA NSSDCA 月球資料表;地球半徑 \(6371\ \mathrm{km}\)、自轉軸傾角 \(23.44^\circ\)、恆星年出自地球資料表;太陽半徑出自太陽資料表(表中為 \(695\,700\ \mathrm{km}\),本頁用取整的 \(696\,000\ \mathrm{km}\),使全食/環食分界移動不到 200 km);1 AU \(= 149\,597\,870\,700\ \mathrm{m}\)(定義值,IAU 2012 年 B2 決議,見 IAU 決議列表);恆星月、朔望月、交點月、近點月與 18.6 年的交點退行出自 J. Meeus《Astronomical Algorithms》(第 2 版,1998)。
- 延伸閱讀:NASA Science〈Moon Phases〉與〈Eclipses〉(英文);真實的日月食日期與路徑圖:NASA Eclipse Web Site。