日全食
日珥
中国古人把观测太阳的天象变化,看作是管理国家的重要事项,认为关系着国家的稳定发展前途,所以由此产生的中国古代天文历法科学受到历代统治者的高度重视。
《尚书》记载的日食
《尚书·胤征》记载:“乃季秋月朔,辰弗集于房；瞽奏鼓,啬夫驰,庶人走”。夏历秋天的九月,被称为“季秋”；月亮小到看不见的时候称为“月朔”,为农历(夏历)初一,当月的第1天。“啬夫”是地方小官,“庶人”是百姓民众。“辰”指天象星群,“房”是古人划分的星座“房宿”。根据《尚书》注解,这是夏朝仲康五年九月初一日食的情况(约公元前2000年前后)。人们恐慌不安,乐师敲鼓报警,地方官员快速奔跑召集敬天,百姓们甘心情愿受地方官员的驱使,参与拯救太阳的祈祷敬天活动。《尚书·胤征》记载这次日食的原因是,夏朝的第二个帝王太康治政时期,“羲和废厥职,酒荒于厥邑”。负责观测太阳天象定四时的“羲氏”、“和氏”邦国的首领,沉湎于醉酒作乐,荒疏观太阳天象,使得确定四季变化的时节发生错乱,导致民心混乱,国家王权不稳,所以夏朝的第三个帝王仲康,为振兴国家,命胤侯率军,征灭羲、和。同时说明,中国古代认为,日食发生在朔月日,每月的初一。古人发现,日食发生的原因在于日月在同一视线上,认识到“日食者,月往蔽之”(西汉刘向《五经通义》清马国翰本)的道理。这是中国古籍资料里最早的日食记录。
古人观测太阳是用眼睛看。观测的方法是在盆里装水,或者在盆里注油,放在日照的地方,看水中或油中太阳的倒影。到明朝末年的徐光启时代,才采用欧洲传进来的望远镜观测太阳。历代官府由“太史”负责观测太阳及天象日月星辰,元明清由“司天监”、“司天台”的日官或台官等观测,记录称为“注记”或“候簿”。
《尚书》的日食记载说明,中国古人把观测太阳的天象变化,看作是管理国家的重要事项,认为关系着国家的稳定发展前途,所以由此产生的中国古代天文历法科学受到历代统治者的高度重视。古人认为荒疏观测太阳天象,酿成历法混乱,会危及王权,所以就会遭到国家的伐灭诛杀,因此天文学家观测太阳运行不敢懈怠,这是中国古代天文科学具备世界先进水平的重要原因。故而中国历代天文学家非常重视观测日食的记录。
古人观测到的日食天象
《开元占经》卷九记载:“日之将蚀,阳微阴渐”、“日将蚀,必先青黄不卒,至见消也,日光沉掩,皆月所掩毁伤”等。发生日食的时候,日光渐渐昏暗直到消失,而且古人知道发生日食的原因是月亮遮住太阳。现存的甲骨文里,记载着距今3800多年的日食和月食,但是无法考定年代。中国有世界完整的日食记录。《诗经·小雅·十月之交》记载:“十月之交,朔月辛卯,日有食之”；九月末进入十月,“朔月”是每月的初一,诗句为周历的十月初一为“辛卯”日；这是古籍资料里,世界上有年代可考的较早的日食记录。根据《小雅》的诗歌采集时代,学界研究认为,这是周幽王六年发生的日食,时间为公元前776年9月6日(周历十月为夏历八月,文中时间为公历)。古人发现,发生日食的时候在朔月日,就是说日食发生在农历(夏历)的初一。
这是因为,太阳是发光的恒星,地球和月亮不发光,从地球角度看,月亮反射太阳光而呈银白色,所以月亮有银白色的光。天文科学理论认为,月亮绕地球公转,地球又带着月亮绕太阳公转。太阳的直径约为140万千米,月亮的直径是3500千米,太阳的直径大约是月亮直径的400倍。又因为太阳到地球的平均距离为1.5亿千米,月亮到地球的平均距离约为38万千米,所以日地平均距离大约是月地平均距离的400倍。因此从地球角度看,太阳的视直径(太阳的外圆轮)与月亮的视直径(月亮的外圆轮)几乎都是32°,即太阳和月亮同样大。
因为月亮公转轨道和地球公转轨道都是椭圆的,从视角看日地距离和月地距离会略有变化,而且存在着地、月谁处在与太阳距离的中间,是否在同一直线而影响太阳光线照射的问题,所以日、地、月的运动位置变化,影响太阳光线照射到地球和月亮的角度。中国的传统农历(夏历)的月是根据月亮的变化,周期为29.53天,这是农历(夏历)月的平均长度。就是说,当月亮运动到太阳和地球之间,三者不在一条直线上,朝向地球的是月亮未被太阳照亮的半球,这样从地球看到的是看不见的黑月亮,中国古代天文学称为“朔月”,即朔月日,对应农历(夏历)是每月的初一。当月亮运动到太阳相反的方向,地球处在日月之间,日、地、月不在同一直线上,从地球看到被太阳照亮的月亮,就是满月,也称为望月,即望月日,对应的时间是农历(夏历)的十五或者十六。如果地球绕太阳的轨道与月亮绕地球的轨道在同一平面上,那么每逢农历初一月亮运行到日地之间时,三者处在一条直线上,就会发生日食。因为实际上地轨和月轨并非在同一平面上,而是相互倾斜成5°9’的角度,所以在朔月日一般不会发生相互遮挡的日食现象。只有当月亮在朔月日运行到地轨平面与月轨平面交界点附近时,出现日、月、地三者处在或接近处于一条直线上,才会发生日食现象。这就是为什么中国传统农历(夏历)初一发生日食的原因(同样道理,农历十五或十六,地球处在日月之间三者成一直线,便发生月食)。
就日食而言,天文科学理论指出,月影有本影、半影、伪本影之分。本影是汇聚的圆锥形投到地球上,阳光被月亮挡住的阴影,地球上在月亮本影内的人看到黑的太阳,这就是日全食。在月亮半影内的人,看到被月亮挡住部分太阳的日偏食。还有的情况是,月亮运行到距地球近的位置,人们看到的月亮比太阳大,把整个太阳挡住,便是日全食；当月亮运行距地球远的位置,人的视觉里月亮比太阳略小,人处在月亮的伪本影内,看到有光环的日食,这就是日环食。
日食总是从太阳的西边缘向东边缘发展,发生日食的太阳西边缘称为“初亏”,这是日食的开始；东边缘是“食既”,是日全食的开始。当月亮相距地球近,全部遮挡太阳的光线时发生日全食。月亮继续向东移动,其西边缘与太阳的西边缘相切瞬间错位“生光”,露出太阳的光线,进入日食的“复圆”阶段,直到月亮继续东移,露出全部太阳的光线,日全食才告结束。
日全食的时间很短,一般2～3分钟,最长7分多钟。但是整个日全食的过程时间很长,从初亏到复圆需要2个多小时。发生日全食的时候,月亮的影子从西往东移动,扫过的地带宽度有200～300千米(有时仅几千米宽),经过的路途长度有6500～10000千米,天文学家称月影扫过的地带为“日食带”。“日食带”以外的地区看不到日食。因为“日全食带”范围小,平均二三百年才能扫过某指定的地点,所以固定生活在某地的人有可能终生没见过日全食。
日食与日珥“云气”
日食发生,会在已经变黑的太阳周边的“光圈”,观察到“日珥”,古人记载有“二珥”、“三珥”、“四珥”,同时会发生“白云”、“青云”、“黑云”、“赤云”、“黄云”冲出。日食观测到太阳活动的这些现象,西汉京房的贡献大。
日全食是观测太阳的好时机。《开元占经》卷九《日蚀而珥有云冲之》,记载汉元帝时期的京房(公元前77—前37年)观测到的日食天象:“日以甲乙有二珥而蚀,东西南北有白云冲之”；“日以丙丁二珥而蚀,有黑云冲出东南西北”；“日以甲乙有四珥而蚀,有白云冲出四角,青云交贯中央”……记载京房14次观察日食的记录,说明京房是坚持观测日食的天文学家。
这是因为月亮遮住太阳光球,太阳高层大气的景色便展现在人们的眼前。沿着太阳的光圈弧,有无数火舌的齿状花边,镶嵌着太阳的“色球层”。有的火舌形成气柱,上升到几万甚至百万千米的高度,然后落回太阳或脱离太阳消散,这些气柱的升落称为“日珥”。日珥形态多样,像弧形拱桥,像喷泉,像云气冲天而散失等。日全食时,白光裹着太阳的日轮,这圈白光称为“日冕”。这是太阳大气最外面的部分,被古人称为“云气”。科学研究认为,太阳大气中氢是最丰富的元素,此外还含有六十多种元素,所以太阳的“云气”、日珥的色彩是变换的。
日食对人类生活的影响
古人对日食的观测很细致。根据《开元占经》卷九的记载,日食发生分上午(早晨)、中午、下午的三种情况；又分为从太阳的上部蚀日、从中部蚀日、从下部蚀日的三种状态；日食又分为日全食和日偏食,日偏食分为“日蚀中分”、“日蚀过半”、“日蚀不尽”三种情况。
发生日食,使古人在惊恐中认为,日食影响人的生活。西汉元帝时期的魏郡太守,天文星象学家京房于初元四年(公元前45年)说:“日食,又久青无光,阴雾不精(清)”(《汉书·京房传》)；认为当时发生的日食,太阳长时间浑黑无光,雾蒙不清,会出现灾变。并且指出,“日蚀,盛中时黑乃蚀之,从内(阙)地中鸣”,并且是“先地中鸣乃蚀”,而且起风,“明日大雨,发濛而寒,地震动”(《开元占经》卷九)。就是说,发生日全食的时候,会起风、下雨、湿冷,大地会发出轰轰的鸣响,发生地震而“震裂”。古籍类似的记载还有许多,例如发生日全食,天空亮度突然转暗；太阳变成暗黑的圆,瞬间天地漆黑；气温明显下降,使人产生紧张的心理；这时候会有风起,会起旋风等灾变现象。
当代科学研究认为,无线电广播和通讯,依赖于地球高空的电离层反射无线电波。日食影响到电离层,使得高层大气中出现大量的自由电子和离子,短波通讯频率将发生骤降。观测证实,太阳光被月球遮挡时,日全食地区上空的电离层的电子浓度下降,导致短波通讯的可用频率下降达30%以上,大部分短波频道的广播信号消失。日食结束后,少量的短波频段会因为日食的后续效应发生二次中断。另外,日食会对GPS的导航定位精度产生明显影响,数小时后才能消失。天文科学家的研究证实,日食时天空亮度、大气温度、环境湿度以及风速风向发生变化,因此影响气候的变化,影响交通。
