中秋節(jié)后閑話明月

——超級月亮，紅月亮，藍(lán)月亮

 

木白

中秋節(jié)，對我們?nèi)A人而言，代表著團(tuán)圓、團(tuán)聚，因為人們在中秋時分常?？梢孕蕾p到那掛在天幕上圓圓的白玉盤。此情此景令人浮想聯(lián)翩，有情懷的還可以擺下杯盞，或伴月起舞，或吟詩唱和，或隨影獨思。蘇軾曾賦詩吟唱道：“人有悲歡離合，月有陰晴圓缺，此事古難全?！痹虑蜻M(jìn)行自轉(zhuǎn)的同時圍繞地球旋轉(zhuǎn)，地球進(jìn)行自轉(zhuǎn)的同時圍繞著太陽旋轉(zhuǎn)，這樣我們就看到了滿月和新月的差異，還看到了超級月亮、紅月亮、藍(lán)月亮等奇特的天象。所以，蘇軾在他的《水調(diào)歌頭》中以一句“明月幾時有，把酒問青天”開宗明義，告訴我們：這一切都是大自然的造化，不以人的意志轉(zhuǎn)移。

一、“超級月亮”是處于近地點的滿月

近幾年，“超級月亮”不時地出現(xiàn)在各類媒體上，那么到底什么是“超級月亮”呢？其實，它不過是一個較大、較亮的“滿月”而已！

大家知道，在農(nóng)歷的每月初一，月球會運行到太陽與地球之間，此時的月亮以黑暗的一面對著地球，并且與太陽同升同沒，人們無法看到它。這樣的“缺”月相叫“新月”（或“朔月”）。到了農(nóng)歷十五、十六時，月亮運行到太陽的正對面，即地球位于太陽和月亮之間，從地球上看去，月球的整個光亮面對著地球，這樣的“圓”月相叫“滿月”（或“望月”）。黃昏時滿月由東邊升起，黎明時向西邊沉落。此外，現(xiàn)代的科學(xué)知識告訴我們，月球是在一個橢圓軌道上繞地球運行的，而地球位于橢圓軌道的一個焦點上，如圖1所示（圖中1,2表示運行中月球的兩個不同位置，3為地球）。這就是說，在運行過程中，月球與地球間的距離是不斷變化著的，在遠(yuǎn)地點1處為40.6萬千米，在近地點2處則為35.7萬千米。因此，人們在地球上看到的月亮大小其實一直是在變化著的，只是常人肉眼往往察覺不到罷了。

圖1 月球繞地球運行軌道示意圖

“超級月亮（Super moon）”是指月球運行到軌道近地點的同時，正好又是滿月的一種天象。超級月亮其實不是什么新鮮的天象，基本上每年都會來跟公眾“報到”一次。它是由月球運行的兩個周期決定的：月球從近地點走到遠(yuǎn)地點，大概要花27天多的時間；而月亮從圓到缺的周期，大概為29天多（這被稱作一個朔望月）。這樣一來，在月球的運行過程中，大概每隔1年零50天就會在走到近地點時碰上圓月，這就是我們所說的“超級月亮”。由于兩個周期都是無理數(shù)，嚴(yán)格來說，超級月亮發(fā)生時，兩個周期并不是完全重合，因此每年的超級月亮大小也不盡相同。2011年3月19日，月球到達(dá)19年來距離地球最近位置，它與地球的距離僅有35萬多公里，從地球上觀看，月球比遠(yuǎn)地點時面積增大14%（參見圖2），亮度增加30%，第一次被號稱為“超級月亮”。這是因為一個物體的視覺大小和視覺亮度與距離的平方成反比。

圖2正常月亮和超級月亮大小比較

正如前述，對于天文學(xué)家而言，超級月亮并非奇特現(xiàn)象，這個說法是由美國占星師理查德 諾勒（Richard Nolle）在1979年提出并定義的（“超級月亮”一詞并不存在于專業(yè)天文詞典里）。他自己的網(wǎng)站上發(fā)表了一系列文章，指出2011年3月19日的滿月正處“近日點”上，而且預(yù)言：那天的月亮不僅會比平時的更大、更亮，還將會引發(fā)嚴(yán)重的地震、火山或者其它自然災(zāi)害。這個預(yù)言沉寂了一段時間，但隨著“超級月亮”的迫近，人們對它的關(guān)注越來越高，很多媒體對該預(yù)言做出了反應(yīng)。2011年3月9日，英國《每日郵報》發(fā)表文章表示：這次抵達(dá)近日點的月亮，只是看起來大一些而已，并不會引起地震和火山爆發(fā)。同日，美國一家天文科學(xué)網(wǎng)站發(fā)表了題為《3月19日的‘超級月亮’會引發(fā)自然災(zāi)害嗎？》的文章，駁斥了這則預(yù)言。次日，一個著名天文學(xué)網(wǎng)站發(fā)表文章《2011年3月19日，是“超級月亮”還是“超級炒作”？》，更尖銳地批駁了這個由占星學(xué)家做出的預(yù)測。在維基百科英文版的“月球軌道”詞條中，甚至也一度加入了對“超級月亮”的批判。就當(dāng)人們發(fā)覺辟謠文章比流言文章還要多、逐漸對這則預(yù)言漸漸失去興趣的時候，日本大地震爆發(fā)了。2011年3月11日下午，日本東北海域發(fā)生了9.0級強(qiáng)烈地震，海嘯伴隨著地震波對日本本州島東北沿海造成了巨大的破壞。流言又重新活躍了起來，不少人認(rèn)為這則預(yù)言應(yīng)驗了，日本的這次地震海嘯是“超級月亮”降臨的結(jié)果。

這里，讓我們用數(shù)據(jù)來分析一下更近的月亮對地球影響到底有多大？“超級月亮”能不能導(dǎo)致日本地震這類自然災(zāi)害？牛頓萬有引力定律告訴我們，地球上的物體會受到月球引力的影響。根據(jù)萬有引力公式F=GmM/r²（這里，G是萬有引力系數(shù)，m和M分別是物體和月球的質(zhì)量，r是物體和月球質(zhì)心間的距離），我們可以得知：當(dāng)月球處在遠(yuǎn)地點的時候，地球上每1千克的物體會受到3.019 10^-5N的引力；當(dāng)月球處在近地點的時候，這個引力的平均值是3.761 10^-5N（因為月球軌道近地點在3%幅度內(nèi)變化）；而3月19日這一次近地點更接近地球，“超級月亮”造成的引力是3.903 10^-5N。這樣的引力對于地球上的物體而言是微乎其微的。對一個成年人來說，這次的“超級月亮”帶來的影響只相當(dāng)于一兩根頭發(fā)的重量。相對而言，太陽對地球的影響就大多了，1千克的物體會受到太陽5.737 10^-3N到6.141 10^-3N的引力，是月球引力的100多倍。所以，僅根據(jù)地球與月亮的距離來預(yù)言地質(zhì)災(zāi)害，而完全不考慮太陽的參數(shù)的做法顯然是不科學(xué)的。而且月球與地球的距離每天都是變化的。3月11日的日本大地震與3月19日的“超級月亮”之間相隔8天，而在5天之前的3月6日，月球正處于它的遠(yuǎn)地點上。事發(fā)當(dāng)天，地月距離大于平均距離，所以把這次地質(zhì)災(zāi)害歸咎于月球引力實在是有些說不過去。當(dāng)然，地月距離變化帶來的引力差異，可能會給地球上帶來一些諸如潮汐變化之類的影響，如果這個時候遇到風(fēng)暴潮，那么也許會產(chǎn)生不同凡響的巨大洪流。但是，到目前為止，還沒有科學(xué)證據(jù)（包括統(tǒng)計數(shù)據(jù)）表明地震和其它自然災(zāi)害與“超級月亮”有任何關(guān)聯(lián)可循。

 

圖3美輪美奐的超級月亮視覺景觀

 

二、“紅月亮”其實就是月全食

2015年9月28日，在西半球，人們能夠目睹一出“超級月亮”與“血月”同時出現(xiàn)的天文奇觀。前面我們已經(jīng)介紹了，所謂的“超級月亮”，是指月球運行至近地點的滿月；而“血月（Blood moon）”，則指月食或月全食時出現(xiàn)的紅色月亮。兩者同時上演，十分罕見，自1900年以來，“月全食和超級月亮”同時發(fā)生總共有五次，分別出現(xiàn)在1910年、1928年，1946年，1964年和1982年。換言之，上一次“血月”發(fā)生在33年前，而下一次血月將發(fā)生在2033年，也就是說還得等上18年！而且，今年中秋夜的月全食，是最近兩年內(nèi)連續(xù)有四個月都出現(xiàn)月全食的情況（被稱作“連環(huán)四月食”），這是第四次。這個記錄，500年以來只有三次。無怪乎各路媒體爭相報道，甚至把今年中秋節(jié)的天象稱作“超級血月”。圖4是在北美加拿大地區(qū)距多倫多兩個多小時的皮德博諾鎮(zhèn)（Peterborough）拍下的“紅月亮”的罕見美圖。

圖4加拿大皮德博諾鎮(zhèn)（Peterborough）“紅月亮”

為什么血月（或者說，紅月亮）總是在發(fā)生月全食的時候出現(xiàn)呢？這是因為濃厚的大氣層把紫、藍(lán)、綠、黃光都吸收（或散射）掉了，只剩下紅色光可以穿透過來。大氣層將紅色光折射到月球表面上，所以我們?nèi)匀荒芸吹剑涸诘赜袄?，紅紅的月亮掛在天空中。

下面我們來簡單說明一下所謂的“地影”吧。地球在太陽的照射下，在它的后方會有一個錐形的陰影區(qū)域，如圖5所示，地球的“影子”可分為“本影”和“半影”。本影區(qū)就是被地球完全遮擋的地方，而半影區(qū)則是地球部分地?fù)踝×颂柕膮^(qū)域。月亮進(jìn)入地球半影發(fā)生半影月食，月亮一部分進(jìn)入地球本影發(fā)生月偏食，月亮全部進(jìn)入地球本影則發(fā)生月全食。據(jù)觀測資料統(tǒng)計，每世紀(jì)中半影月食、月偏食、月全食發(fā)生的百分比約為36.60％，34.46％和28.94％。在這三種月食中，月全食最為壯觀，呈現(xiàn)暗淡而美麗的古銅色或微紅色，也就是大家所稱的“紅月亮”。應(yīng)當(dāng)指出的是，月全食都發(fā)生在望（滿月），但不是每逢“望”都有月食，這和每逢“朔”不都出現(xiàn)日食是同樣的道理。在一般情況下，月亮不是從地球本影的上方通過，就是在下方離去，很少正好穿過或部分通過地球本影，因此，一般情況下就不會發(fā)生月全食。每年發(fā)生月食數(shù)一般為二次，最多發(fā)生三次，有時一次也不發(fā)生。因為黃道（地球繞太陽運行軌道）和白道（月球繞地球運行軌道）之間有大約5 的交角存在，所以只有太陽和月球分別位于黃道和白道的兩個交點附近時，才有機(jī)會連成一條直線，產(chǎn)生月食。

圖5 地球的本影、半影示意圖

現(xiàn)在問題就來了，既然本影區(qū)是地球完全遮擋住太陽的區(qū)域，按理說，本影區(qū)應(yīng)該沒有任何光，為什么月亮還會“血色浪漫”呢？答案是：地球的大氣層在作怪。原來大氣層會折射和散射太陽光的。所以，盡管地球完全遮擋住太陽，形成了一個本影區(qū)，使月亮完全躲藏在地球的背后，但是由于大氣層的“搗亂”，月亮無法完全逃出太陽的勢力范圍，被大氣層折射的部分陽光還是會照到月亮表面上（參見圖6）。

圖6 全食“血月”示意圖

大氣層偏折了太陽光，以至于陽光拐了個彎，又照在了月球上，血色一片。但問題又來了：為什么偏偏出現(xiàn)的是紅光呢？這就要從太陽光的構(gòu)成說起了。大家知道，我們平常見到的白色太陽光是由七種顏色的光合成的，中學(xué)生在物理課上做過的三棱鏡實驗便證明了這點（參見圖7）。這些成分的波長不同，紅光的波長最大，其他顏色光的波長較短。在穿越大氣層過程中，除了紅光子和部分橙光外，大部分其他顏色的光都被散射掉了。這就和我們在清晨總是看到紅紅的太陽是同一個道理。

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圖7 太陽光的折射現(xiàn)象

這里要告訴大家月食現(xiàn)象與科學(xué)研究有著密切關(guān)聯(lián)。最早的月食記錄是公元前2283年美索布達(dá)米亞的記錄，其次是中國在公元前1136年的記錄。對于月食現(xiàn)象的觀測和探討一直推動著人類認(rèn)識的；公元前3世紀(jì)的古希臘天文學(xué)家阿利斯塔克和公元前2世紀(jì)的西帕恰斯都提出通過月食測定太陽、地球、月球的相對大小，西帕恰斯還提出在相距遙遠(yuǎn)的兩個地方同時觀測月食，來測量地理經(jīng)度；早在1881年前，中國漢代天文學(xué)家張衡就弄清了月食原理；到了公元2世紀(jì)，托勒密利用古代月食記錄來研究月球運動，這種方法一直延用到今天。在火箭和人造地球衛(wèi)星出現(xiàn)之前，科學(xué)家一直通過觀測月食來探索地球的大氣結(jié)構(gòu)。怪不得天文學(xué)家有著大量關(guān)于月食研究的結(jié)果。

 

 

 

圖8 美不勝收的紅月亮視覺景觀

三、“藍(lán)月亮”是一場美麗的誤會

“藍(lán)月亮”（Blue moon）這個詞主要起源于西方國家。1946年5月，《天空和望遠(yuǎn)鏡》雜志刊登了一篇文章，該文誤認(rèn)為月亮呈現(xiàn)藍(lán)色和“一個月的第二次滿月”之間存在著必然聯(lián)系。但后來天文學(xué)家證實，這一說法是錯誤的。但這個美麗的辭藻被保留下來了，在天文歷法和年鑒中，當(dāng)一個季度出現(xiàn)四次滿月時，第三個滿月就被賦予一個充滿神秘浪漫色彩的名字——藍(lán)月亮。

根據(jù)歷法計算，滿月每隔29.5天出現(xiàn)一次。由于在公歷歷法中，每個月的時間不盡相同：大月為31天，小月為30天甚至28天。這樣就出現(xiàn)了一個時間差，導(dǎo)致一個月可能同時出現(xiàn)兩個滿月。平均來說，每過32個月會出現(xiàn)一次“藍(lán)月亮”，但在1999年，曾經(jīng)在三個月時間里出現(xiàn)了兩次藍(lán)月亮。

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由于罕見，天文學(xué)家便賦予它“藍(lán)月亮”這個神秘而浪漫的名字，然而藍(lán)月亮并非指藍(lán)色的月亮。從天文科學(xué)觀點分析，月亮顏色與其反射的太陽光有關(guān)，而與具體日期沒有任何關(guān)系。在通常情況下，月亮發(fā)出珍珠白的顏色，有時可見淡黃色。這是直接反射“本色”太陽光的結(jié)果。但在某些偶然情況下，比如環(huán)境污染時，地球大氣中集結(jié)的小塵埃，或者其中夾雜著的大量小水珠，將太陽光的紅光散射掉，藍(lán)色的月亮就可能出現(xiàn)在天空中。因此真正的藍(lán)月亮出現(xiàn)的時候，一定是氣候、環(huán)境條件特別的狀況。例如，1883年，印尼喀拉喀托火山爆發(fā)，火山灰飄到地球大氣層高處，當(dāng)夜人們看到的月亮就變成了藍(lán)色。但是，我們必須記?。核{(lán)月亮現(xiàn)象是天體運行自然規(guī)律所致，把自然災(zāi)害與“藍(lán)月亮”聯(lián)系在一起是沒有科學(xué)依據(jù)的。

的確，藍(lán)月亮著實是一場美麗的誤會！不過，拋開天文學(xué)，在日常生活中，自19世紀(jì)以來，人們開始用bluemoon來形容“罕見、不常發(fā)生的事情”。英語中，有這樣一條短語：“偶見藍(lán)月”（once in a bluemoon），它常被用來描述“千載難逢”的事物。

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四、從奇特天象想到牛頓的偉大發(fā)現(xiàn)

現(xiàn)在，天文學(xué)家可以精確預(yù)報超級月亮、紅月亮、藍(lán)月亮以及許多其它奇特天象的發(fā)生時間。這要歸功于偉大的力學(xué)家牛頓關(guān)于萬有引力定律的偉大發(fā)現(xiàn)。

牛頓從1665年至1685年，花了整整20年的時間，沿著離心力—向心力—重力—萬有引力等力學(xué)概念的演化順序，終于提出了“萬有引力”概念以及萬有引力定律。牛頓在他的巨著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》第三卷中寫道：“最后，如果由實驗和天文學(xué)觀測，普遍顯示出地球周圍的一切天體被地球重力所吸引，并且其重力與它們各自含有的物質(zhì)之量成比例，則月球同樣按照物質(zhì)之量被地球重力所吸引。另一方面，它顯示出，我們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，彗星同樣被太陽的重力所吸引。由于這個規(guī)則，我們必須普遍承認(rèn)，一切物體，不論是什么，都被賦予了相互的引力（gravitation）的原理。”

萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)，是十七世紀(jì)自然科學(xué)最偉大的成果之一。它把地面上物體運動的規(guī)律和天體運動的規(guī)律統(tǒng)一了起來，在人類認(rèn)識自然的歷史上樹立了一座里程碑。

萬有引力定律揭示了天體運動的規(guī)律，在天文學(xué)領(lǐng)域和宇宙航行計算方面有著廣泛的應(yīng)用。它為實際的天文觀測提供了一套計算方法，可以只憑少數(shù)觀測資料，就能算出長周期運行的天體運動軌道，哈雷彗星、海王星、冥王星的發(fā)現(xiàn)，都是應(yīng)用萬有引力定律取得重大成就的例子。利用萬有引力公式和開普勒第三定律等還可以計算太陽、地球等無法直接測量的天體的質(zhì)量。牛頓還解釋了月亮和太陽的萬有引力引起的潮汐現(xiàn)象。他依據(jù)萬有引力定律和其他力學(xué)定律，對地球兩極呈扁平形狀的原因和地軸復(fù)雜的運動，也做了成功的說明。

牛頓的功績不僅限于力學(xué)、天文學(xué)，他的發(fā)現(xiàn)對文化發(fā)展也有著重大的意義：使人們建立了有能力理解天地間的各種事物的信心，解放了人們的思想，在科學(xué)文化的發(fā)展史上起了積極的推動作用。

最后，讓我們再一次來欣賞2015年中秋的紅月亮天象吧！