关于日食，你想知道的都在这里

作者：亚马逊的蝴蝶（Butterfly_of_Amazon）

对于大部分想了解日食的朋友，看这篇文章就够了。

2019年12月26日，天宇上演了壮观的日环食天象。这期间，中国全境都可以观测到日偏食。借这次事件的余热，我也来科普一下日食。

一、为什么会发生日食？

当月球运动到地球和太阳之间，且三者处于一条直线上时，月球会挡住部分太阳照射到地球上的光，在月球背着太阳的方向出现阴影，称作月影。在地球上月影扫过的区域里的人，由于月球遮挡，不能看到完整的太阳，这种现象就称为日食。

日食、本影、半影（图片来源：timeanddate.com）

半影、日偏食、伪本影、日环食（图片来源：timeanddate.com）

月影分为本影、半影和伪本影。本影（umbra）指没有受到太阳光直射的地方，在空间上是个圆锥体，故称作本影锥。半影（penumbra）指只受到部分太阳光直射的区域。伪本影（antumbra）指本影锥汇聚一点后继续延伸形成的椎体。由于月亮围绕地球的轨道是椭圆形，因此地月距离不是固定不变的，当地月距离远于本影锥顶点时，伪本影才能落到地球表面。

根据观测者位于月影的具体位置，观测者看到的日食主要分为四类：日偏食（partial eclipse）、日全食、日环食（annular eclipse）和全环食。

日偏食：地球上的观测者处在月球的半影区中时，看到的是日偏食，太阳一部分被月球遮挡。此时，通常在地球上其它某些区域能看到其它食相，如日全食或日环食或全环食。比如2019年12月26日，中国多地能看到日偏食，而新加坡、沙特阿拉伯的部分地区就能看到日环食。

日全食：太阳直径（139.2万公里）约是月球直径（3476.28公里）的400倍，日地平均距离（1月初近日点1.47亿公里，7月初远日点1.52亿公里）也约是月地平均距离（近地点36.3万公里，远地点40.6万公里）的400倍，因此月球本影往往可以扫过地球表面，遮住整个太阳。这种情况通常发生在月球处于近地点附近时，处于本影范围内的人便能看到日全食，而处于半影范围内的人会看到日偏食。

日环食：当月球处于远地点时，月球看上去显得比太阳小，月球的本影锥不能到达地球，伪本影锥扫过地球的部分区域。此时，从地球上伪本影覆盖的区域看太阳，看到的是一个中心被遮挡、周围发光的光环，这就是日环食。

全环食：除了日全食和日环食外，还有一种非常巧合情况下发生的日食。当月地距离与日地距离的比刚好等于月亮直径与太阳直径的比时，月球的本影锥顶点刚好能接触地球，而锥点两侧则属于伪本影锥覆盖区域。随着地月的相对移动，处于本影锥顶点附近的区域会先后看到日环食、日全食和日环食，这种情况称为全环食。

二、日食从开始到结束有哪些阶段？

日食过程分为初亏、食既、食甚、生光和复圆五个阶段。

初亏：指月球东边缘刚和太阳西边缘相接触（外切）时，是日食的开始。

初亏

食既：只在日全食和日环食过程中发生，是日全食或日环食的开始；对于日全食，是指月球东边缘刚和太阳东边缘相内切时；对于日环食，是指月球西边缘刚和太阳西边缘相内切时。

食既

食甚：指月球中心距离太阳中心最近的时刻。

食甚

生光：只在日全食和日环食过程中发生，是日全食或日环食的结束；对于日全食，指月球西边缘与太阳西边缘相内切时；对于日环食，是指月球东边缘刚和太阳东边缘相内切时。

生光

复圆：指月球西边缘和太阳东边缘相外切时，是日食的结束。

复圆

其实，“食既”和“生光”这两个词描述日环食并不贴切，因为日食过程中太阳没有被全部遮蔽过，但习惯上就这么沿用了下来。

日食过程示意图（顺序是先左后右）（图片来源：veer图库）

日食过程中，同一个地区看到从初亏到复圆的时长能持续几个小时，最精彩的部分是从食既到生光，持续时间从1秒钟到十几分钟不等。

如何估算日食各阶段持续时间？
理论上说，可以推算上下数千年间任意一次日食的发生时间和持续时间，但对于普通爱好者来说难度太大。不过只要掌握了以下数据，以及日食发生时地面上月影位置和大小，普通爱好者也能轻松估算日食各阶段的持续时间：

1. 太阳平均直径为139.2万公里；
2. 太阳与地球之间的平均距离为1.5亿公里，并且近日点与远日点的日地距离相差很小；
3. 月球平均直径为3476.28公里；
4. 月球近地点距离地球36.3万公里，远地点为40.6万公里；
5. 月球自西向东绕地球公转一周需要27.32天；
6. 地球赤道半径6378.137千米；
7. 地球自西向东自转一周需要23时56分4秒。

关于计算方法，欢迎留言

三、日食多长时间发生一次？

地球上每年至少出现2次日食，最多出现5次。不过出现5次的年份很少，在过去的5000年中，只有25个年份出现过。

为什么日食不常有呢？因为日食的发生要求太阳、月球和地球三者处在同一条直线上。天文学将一个以地球球心为中心、半径无限大的假想球称作天球，所有的天体都位于天球面上。月球在天球上移动的轨道面（白道）和太阳在天球上移动的轨道面（黄道）存在约5度的夹角，导致发生日食的条件非常苛刻，要求月球和太阳同时处在白道和黄道的交点附近。加之即使发生日食，如果你处在地球上月影覆盖区域以外的地方，也将无缘观看。因此对于同一地点来说，出现日全食的几率约为每300到400年一次。

四、怎么观测日食？

虽然日食发生时，太阳部分或全部被遮挡，光的强度有所下降，但仍然刺眼，直接观察会对眼睛造成伤害。对于非专业观测者，可以采取以下方法：

专用观测镜观测：市面上有专门的日食眼镜出售。用这种眼镜观测效果好，也不伤害眼睛。

小孔成像观测：用一根针在纸上穿一个小孔，通过小孔在另外纸面或物体界面上的投影观测日食；另外还可以利用两只手指交叉组成小孔来观测。

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望远镜投影观测：太阳的影像经过望远镜后，会在纸面上投影，因此可以通过观测投影来观看日食。注意：绝对不能通过望远镜直接观看日食，严重情况下会导致失明，我小时候就吃过这样的亏，还好眼没瞎。

电焊护目镜观测：有专门出售电焊护目镜的店面。注意：墨镜与电焊护目镜不同，不可以用来观测。

不推荐的方法：

墨镜/太阳镜：这是最危险的观测日食方法之一，也是被谬传最广的方法。直接戴墨镜/太阳镜观测日食会伤害眼睛。
曝光过的底片：有人用过这一方法观测日食，但由于每人用底片制作水平不一样，底片曝光程度不一样，不能保证观测安全，故不推荐。
蜡烛熏黑玻璃：这是比较早期的土办法，但仍然有问题，由于熏黑程度不均匀，同样不能保证观测安全，不推荐。
倒入墨汁的水：尽管有墨汁的水已经变成了黑的背景，但仍然会将较多的太阳光反射到观测者眼中，对眼睛还是会造成一定的伤害，不推荐。

五、日食除了观赏还有什么作用？

对于大众来说，日食是值得观赏的天象。但对于历史学家和科学家来说，日食还有很多妙用。

推算历史事件发生的时间

最有名的是日食结束希腊的吕底亚和麦底亚两国战争的故事。当时两国彼此征战了五年没有分出胜负，在第六年某次战斗中双方士兵正激烈交战时，忽然天昏地暗黑暗笼罩大地。战士们都被这个现象吓到了，认为这是上天的预警，所以两国放下旧仇修和言好。历史学家根据天文学家的计算，确定这场战斗发生在公元前585年5月28日的下午。

提供观察太阳外层和周边的好时机

日全食时，由于月球的遮挡，使得原本难以观察的太阳外层——日冕层得以露出真面目，这对于太阳研究有着重要的意义。日全食时，可以看到平时难得一见的水星，这也是寻找水星轨道以内的小行星的好机会。也正是借助日全食，英国的爱丁顿爵士得以验证广义相对论关于“光线在巨大的引力场中弯曲”的论断。天文学家预测1919年5月29日在南半球中纬度地区将发生日全食，于是爱丁顿和他的助手赶赴西非的普林西比岛，拍摄了大量日全食期间太阳位置附近的恒星，与其它时间拍摄的同一天区的恒星位置进行对比，从而测定出太阳引力造成的星光偏折角度与广义相对论预言角度更加接近，成为首个支持广义相对论的观测证据。

日全食时太阳附近的恒星视位置与真实位置

六、2019年最后一次日食简介

这次日环食于北京时间2019年12月26日10时29分50秒开始，至16时05分43秒终止，历经5个多小时。环食带从中东地区开始，经印度南端、斯里兰卡，进入东南亚的印度尼西亚、新加坡、马来西亚等国，最后结束于西太平洋上。这次的环食带平均宽度在115千米左右，见食地最长时间可以看到3分40秒左右的环食。