日全食
日珥
中國古人把觀測太陽的天象變化,看作是管理國家的重要事項,認為關(guān)系著國家的穩(wěn)定發(fā)展前途,所以由此產(chǎn)生的中國古代天文歷法科學受到歷代統(tǒng)治者的高度重視。
《尚書》記載的日食
《尚書·胤征》記載:“乃季秋月朔,辰弗集于房；瞽奏鼓,嗇夫馳,庶人走”。夏歷秋天的九月,被稱為“季秋”；月亮小到看不見的時候稱為“月朔”,為農(nóng)歷(夏歷)初一,當月的第1天?！皢莘颉笔堑胤叫」?“庶人”是百姓民眾?！俺健敝柑煜笮侨?“房”是古人劃分的星座“房宿”。根據(jù)《尚書》注解,這是夏朝仲康五年九月初一日食的情況(約公元前2000年前后)。人們恐慌不安,樂師敲鼓報警,地方官員快速奔跑召集敬天,百姓們甘心情愿受地方官員的驅(qū)使,參與拯救太陽的祈禱敬天活動?！渡袝へ氛鳌酚涊d這次日食的原因是,夏朝的第二個帝王太康治政時期,“羲和廢厥職,酒荒于厥邑”。負責觀測太陽天象定四時的“羲氏”、“和氏”邦國的首領(lǐng),沉湎于醉酒作樂,荒疏觀太陽天象,使得確定四季變化的時節(jié)發(fā)生錯亂,導致民心混亂,國家王權(quán)不穩(wěn),所以夏朝的第三個帝王仲康,為振興國家,命胤侯率軍,征滅羲、和。同時說明,中國古代認為,日食發(fā)生在朔月日,每月的初一。古人發(fā)現(xiàn),日食發(fā)生的原因在于日月在同一視線上,認識到“日食者,月往蔽之”(西漢劉向《五經(jīng)通義》清馬國翰本)的道理。這是中國古籍資料里最早的日食記錄。
古人觀測太陽是用眼睛看。觀測的方法是在盆里裝水,或者在盆里注油,放在日照的地方,看水中或油中太陽的倒影。到明朝末年的徐光啟時代,才采用歐洲傳進來的望遠鏡觀測太陽。歷代官府由“太史”負責觀測太陽及天象日月星辰,元明清由“司天監(jiān)”、“司天臺”的日官或臺官等觀測,記錄稱為“注記”或“候簿”。
《尚書》的日食記載說明,中國古人把觀測太陽的天象變化,看作是管理國家的重要事項,認為關(guān)系著國家的穩(wěn)定發(fā)展前途,所以由此產(chǎn)生的中國古代天文歷法科學受到歷代統(tǒng)治者的高度重視。古人認為荒疏觀測太陽天象,釀成歷法混亂,會危及王權(quán),所以就會遭到國家的伐滅誅殺,因此天文學家觀測太陽運行不敢懈怠,這是中國古代天文科學具備世界先進水平的重要原因。故而中國歷代天文學家非常重視觀測日食的記錄。
古人觀測到的日食天象
《開元占經(jīng)》卷九記載:“日之將蝕,陽微陰漸”、“日將蝕,必先青黃不卒,至見消也,日光沉掩,皆月所掩毀傷”等。發(fā)生日食的時候,日光漸漸昏暗直到消失,而且古人知道發(fā)生日食的原因是月亮遮住太陽?，F(xiàn)存的甲骨文里,記載著距今3800多年的日食和月食,但是無法考定年代。中國有世界完整的日食記錄。《詩經(jīng)·小雅·十月之交》記載:“十月之交,朔月辛卯,日有食之”；九月末進入十月,“朔月”是每月的初一,詩句為周歷的十月初一為“辛卯”日；這是古籍資料里,世界上有年代可考的較早的日食記錄。根據(jù)《小雅》的詩歌采集時代,學界研究認為,這是周幽王六年發(fā)生的日食,時間為公元前776年9月6日(周歷十月為夏歷八月,文中時間為公歷)。古人發(fā)現(xiàn),發(fā)生日食的時候在朔月日,就是說日食發(fā)生在農(nóng)歷(夏歷)的初一。
這是因為,太陽是發(fā)光的恒星,地球和月亮不發(fā)光,從地球角度看,月亮反射太陽光而呈銀白色,所以月亮有銀白色的光。天文科學理論認為,月亮繞地球公轉(zhuǎn),地球又帶著月亮繞太陽公轉(zhuǎn)。太陽的直徑約為140萬千米,月亮的直徑是3500千米,太陽的直徑大約是月亮直徑的400倍。又因為太陽到地球的平均距離為1.5億千米,月亮到地球的平均距離約為38萬千米,所以日地平均距離大約是月地平均距離的400倍。因此從地球角度看,太陽的視直徑(太陽的外圓輪)與月亮的視直徑(月亮的外圓輪)幾乎都是32°,即太陽和月亮同樣大。
因為月亮公轉(zhuǎn)軌道和地球公轉(zhuǎn)軌道都是橢圓的,從視角看日地距離和月地距離會略有變化,而且存在著地、月誰處在與太陽距離的中間,是否在同一直線而影響太陽光線照射的問題,所以日、地、月的運動位置變化,影響太陽光線照射到地球和月亮的角度。中國的傳統(tǒng)農(nóng)歷(夏歷)的月是根據(jù)月亮的變化,周期為29.53天,這是農(nóng)歷(夏歷)月的平均長度。就是說,當月亮運動到太陽和地球之間,三者不在一條直線上,朝向地球的是月亮未被太陽照亮的半球,這樣從地球看到的是看不見的黑月亮,中國古代天文學稱為“朔月”,即朔月日,對應(yīng)農(nóng)歷(夏歷)是每月的初一。當月亮運動到太陽相反的方向,地球處在日月之間,日、地、月不在同一直線上,從地球看到被太陽照亮的月亮,就是滿月,也稱為望月,即望月日,對應(yīng)的時間是農(nóng)歷(夏歷)的十五或者十六。如果地球繞太陽的軌道與月亮繞地球的軌道在同一平面上,那么每逢農(nóng)歷初一月亮運行到日地之間時,三者處在一條直線上,就會發(fā)生日食。因為實際上地軌和月軌并非在同一平面上,而是相互傾斜成5°9’的角度,所以在朔月日一般不會發(fā)生相互遮擋的日食現(xiàn)象。只有當月亮在朔月日運行到地軌平面與月軌平面交界點附近時,出現(xiàn)日、月、地三者處在或接近處于一條直線上,才會發(fā)生日食現(xiàn)象。這就是為什么中國傳統(tǒng)農(nóng)歷(夏歷)初一發(fā)生日食的原因(同樣道理,農(nóng)歷十五或十六,地球處在日月之間三者成一直線,便發(fā)生月食)。
就日食而言,天文科學理論指出,月影有本影、半影、偽本影之分。本影是匯聚的圓錐形投到地球上,陽光被月亮擋住的陰影,地球上在月亮本影內(nèi)的人看到黑的太陽,這就是日全食。在月亮半影內(nèi)的人,看到被月亮擋住部分太陽的日偏食。還有的情況是,月亮運行到距地球近的位置,人們看到的月亮比太陽大,把整個太陽擋住,便是日全食；當月亮運行距地球遠的位置,人的視覺里月亮比太陽略小,人處在月亮的偽本影內(nèi),看到有光環(huán)的日食,這就是日環(huán)食。
日食總是從太陽的西邊緣向東邊緣發(fā)展,發(fā)生日食的太陽西邊緣稱為“初虧”,這是日食的開始；東邊緣是“食既”,是日全食的開始。當月亮相距地球近,全部遮擋太陽的光線時發(fā)生日全食。月亮繼續(xù)向東移動,其西邊緣與太陽的西邊緣相切瞬間錯位“生光”,露出太陽的光線,進入日食的“復圓”階段,直到月亮繼續(xù)東移,露出全部太陽的光線,日全食才告結(jié)束。
日全食的時間很短,一般2～3分鐘,最長7分多鐘。但是整個日全食的過程時間很長,從初虧到復圓需要2個多小時。發(fā)生日全食的時候,月亮的影子從西往東移動,掃過的地帶寬度有200～300千米(有時僅幾千米寬),經(jīng)過的路途長度有6500～10000千米,天文學家稱月影掃過的地帶為“日食帶”?！叭帐硯А币酝獾牡貐^(qū)看不到日食。因為“日全食帶”范圍小,平均二三百年才能掃過某指定的地點,所以固定生活在某地的人有可能終生沒見過日全食。
日食與日珥“云氣”
日食發(fā)生,會在已經(jīng)變黑的太陽周邊的“光圈”,觀察到“日珥”,古人記載有“二珥”、“三珥”、“四珥”,同時會發(fā)生“白云”、“青云”、“黑云”、“赤云”、“黃云”沖出。日食觀測到太陽活動的這些現(xiàn)象,西漢京房的貢獻大。
日全食是觀測太陽的好時機。《開元占經(jīng)》卷九《日蝕而珥有云沖之》,記載漢元帝時期的京房(公元前77—前37年)觀測到的日食天象:“日以甲乙有二珥而蝕,東西南北有白云沖之”；“日以丙丁二珥而蝕,有黑云沖出東南西北”；“日以甲乙有四珥而蝕,有白云沖出四角,青云交貫中央”……記載京房14次觀察日食的記錄,說明京房是堅持觀測日食的天文學家。
這是因為月亮遮住太陽光球,太陽高層大氣的景色便展現(xiàn)在人們的眼前。沿著太陽的光圈弧,有無數(shù)火舌的齒狀花邊,鑲嵌著太陽的“色球?qū)印?。有的火舌形成氣?上升到幾萬甚至百萬千米的高度,然后落回太陽或脫離太陽消散,這些氣柱的升落稱為“日珥”。日珥形態(tài)多樣,像弧形拱橋,像噴泉,像云氣沖天而散失等。日全食時,白光裹著太陽的日輪,這圈白光稱為“日冕”。這是太陽大氣最外面的部分,被古人稱為“云氣”?？茖W研究認為,太陽大氣中氫是最豐富的元素,此外還含有六十多種元素,所以太陽的“云氣”、日珥的色彩是變換的。
日食對人類生活的影響
古人對日食的觀測很細致。根據(jù)《開元占經(jīng)》卷九的記載,日食發(fā)生分上午(早晨)、中午、下午的三種情況；又分為從太陽的上部蝕日、從中部蝕日、從下部蝕日的三種狀態(tài)；日食又分為日全食和日偏食,日偏食分為“日蝕中分”、“日蝕過半”、“日蝕不盡”三種情況。
發(fā)生日食,使古人在驚恐中認為,日食影響人的生活。西漢元帝時期的魏郡太守,天文星象學家京房于初元四年(公元前45年)說:“日食,又久青無光,陰霧不精(清)”(《漢書·京房傳》)；認為當時發(fā)生的日食,太陽長時間渾黑無光,霧蒙不清,會出現(xiàn)災(zāi)變。并且指出,“日蝕,盛中時黑乃蝕之,從內(nèi)(闕)地中鳴”,并且是“先地中鳴乃蝕”,而且起風,“明日大雨,發(fā)濛而寒,地震動”(《開元占經(jīng)》卷九)。就是說,發(fā)生日全食的時候,會起風、下雨、濕冷,大地會發(fā)出轟轟的鳴響,發(fā)生地震而“震裂”。古籍類似的記載還有許多,例如發(fā)生日全食,天空亮度突然轉(zhuǎn)暗；太陽變成暗黑的圓,瞬間天地漆黑；氣溫明顯下降,使人產(chǎn)生緊張的心理；這時候會有風起,會起旋風等災(zāi)變現(xiàn)象。
當代科學研究認為,無線電廣播和通訊,依賴于地球高空的電離層反射無線電波。日食影響到電離層,使得高層大氣中出現(xiàn)大量的自由電子和離子,短波通訊頻率將發(fā)生驟降。觀測證實,太陽光被月球遮擋時,日全食地區(qū)上空的電離層的電子濃度下降,導致短波通訊的可用頻率下降達30%以上,大部分短波頻道的廣播信號消失。日食結(jié)束后,少量的短波頻段會因為日食的后續(xù)效應(yīng)發(fā)生二次中斷。另外,日食會對GPS的導航定位精度產(chǎn)生明顯影響,數(shù)小時后才能消失。天文科學家的研究證實,日食時天空亮度、大氣溫度、環(huán)境濕度以及風速風向發(fā)生變化,因此影響氣候的變化,影響交通。
