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日期:2012-05-29 09:27:35  来源:本站原创
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跨世纪的特殊天象——金星凌日

跨世纪的特殊天象——金星凌日
李建基

    今年6月6日,将发生金星凌日天象。当代人可能是最后一次目睹这一天象。因为下一次金星凌日,发生在2117年12月11日,距今105.5年。两次金星凌日发生的时间,间隔有8年、105.5年、8年和121.5年。因此,有些世纪可能一次金星凌日也没有。如以往的9世纪、15世纪、20世纪和未来的26世纪、32世纪。因而,金星凌日,可说是跨世纪的特殊天象。任何一个人,一生中最多可看到两次,最少一次也看不到。
    金星凌日可分为五个阶段:凌始外切、凌始内切,食甚(金星与日面中心最近),凌终内切、凌终外切。今年6月6日的金星凌日(地心视象),凌始外切为6时09分41.0秒;凌始内切为6时27分28.5秒;食甚为9时29分35.8秒,最小角距(金星与日心最近)为9分14.4秒;凌终外切为12时31分42.9秒;凌终外切为12时49分30.5秒。全程历时6小时39分49.5秒(见图一,金星凌日示意图)。 


    这次金星凌日,在欧洲、非洲东部、亚洲、大洋洲、北美洲和南美洲西北部都可以看到,而在非洲西南部和南美洲东南部不可见。我国各地都可看到,其中在东部可目睹到金星凌日全过程。  

金星凌日的发生条件
    金星凌日,它发生的原理与日食相似。当太阳、金星和地球排成一条直线,就有可能发生金星凌日(见图二,金星视运动示意图)。但由于金星和地球的绕日运行轨道不在同一个平面上,而是有一个3.4度的倾角。在大多数的情况下,太阳、金星和地球排列成一条直线时(下合日),金星不是在太阳的上面通过,就是在太阳的下面通过。地球每年6月8日和12月10日的前后分别经过金星轨道的降交点和升交点,如果此时日、金、地三者恰好排成一条直线,就会发生金星凌日。2012年6月6日金星下合日,6月7日金星过降交点,所以出现了金星凌日。


    观测表明,金星降交点与下合日相距小于一天(24小时),就会发生金星凌日;相距大于一天,就可能不会发生金星凌日;相距大于两天,就不会发生金星凌日(见图三,金星降交点、下合与凌日示意图)。

金星凌日有何周期
    金星凌日有8年、243年和251年的周期,但可循环的,最基本、最稳定的是243年的周期 。243年的周期等于243个地球年(365.256天)、395个金星年(224.701天)和152个会合周期(583.92天)。人们通常认为,降交点(6月8日前后)和升交点(12月10日前后)的金星凌日是成双成对交替出现的,在数量上是平分秋色的。其实不然,两者在数量上不相等,即降交点比升交点的金星凌日多。从公元789年至3227年,共出现37次金星凌日,其中降交点金星凌日有22次,而升交点金星凌日只有15次(见金星凌日一览表)。 为何会出现这种现象呢?原来,连续两次的金星凌日(相间8年),金星下合日经过日面的纬度角距变化大约是20角分,而太阳的视半径角距只有16角分。如果某次金星凌日,金星从日面中心附近经过,凌日历时接近8个小时,那么,这8年周期的金星凌日,就仅出现一次,而不是两次。资料显示,902年11月26日、1145年11月26日和1388年11月26日,金星都从日面北缘外掠过;2854年12月14日和3097年12月16日,金星都从日面南缘外掠过。

肉眼可看到金星凌日
    肉眼是可以看到金星凌日的(要借助滤光镜)。人眼的最小分辨率约20角秒,而金星的视直径角距达57.78角秒。金星视直径,约为太阳视直径的百分之三(见2004年6月8日金星凌日相片);或者说,33个金星排列起来,约等于太阳的视直径。水星凌日,肉眼是看不到的,因为水星的视直径只有12角秒。古今中外,没有人能看到水星凌日。而2004年6月8日,全球有不少人用肉眼目睹到金星凌日。

是谁最早预告金星凌日
    在人类历史上 ,第一次成功地向世人预告金星凌日是“行星运动三大定律”的发现者,德国伟大的天文学家开普勒(1571至1630年)。他在1629年预言:1631年12月7日将发生稀奇天象——金星凌日。但这次“金星凌日”给我们留下了四个遗憾:
一、开普勒在一年后病逝,没能亲眼验证这次金星凌日;
二、开普勒当时没有发现金星凌日有一个8年的周期(不连续周期),因此,开普勒错失了预告 1639年12月4日的金星凌日;
三、由于这次金星凌日发生时,欧洲还处在凌晨,因此,欧洲的天文学家看不到这次金星凌日;
四、这次金星凌日,中国各地乃至亚洲大部分地区都可看到,但至今还没有发现任何书面观察记录。
    而在1874年12月9日的金星凌日,中国处于全球最佳的观测位置。当年,美国天文学家华生专程来北京观测金星凌日。当天,中国有两个地方志不约而同地记载到“日中有黑子”。据分析,这可能是中国人首次用肉眼观察到的金星凌日。

观察金星凌日的方法
    观察金星凌日与观察太阳黑子的方法相似,但无论采用何种方法,都必须十分注意眼睛的安全,不能让阳光伤害眼睛。通常有五种方法:
一是目视法。借助滤光镜(巴德膜),或烧电焊用的黑玻璃等减光片,凭肉眼就可观察到金星凌日。从保护眼睛的角度看,无论用什么方法,观看金星凌日,持续时间都不要超过10秒。
二是望远镜法。在望远镜的前方(物镜)装上滤光镜(巴德膜)观察,可观察金星凌日的大气现象和“黑滴”现象。
三是投影法。通过望远镜,把太阳投影到白色的板面上进行观察。这样做,安全可靠,又可供多人同时观看。
四是摄影法。用数码单反相机拍摄金星凌日,供日后研究和留念。
五是摄像法。用摄像机把金星凌日的全过程摄录下来,供日后研究和教学之用。

观察金星凌日的要点
    观察金星凌日,要抓住主要阶段和重点,才能达到目的。我们应当提早1个小时投入观测。为何要这样做呢?原来,借助大口径的天文望远镜,白天是可以看到金星的。在金星凌日前夕,金星亮度为负3.7星等。由于金星有着浓厚的大气层,通过逆光的透射作用,我们不但可以看到金星圆圆的黑色剪影,而且还可以看到有一丝很细的光环围绕着金星,这一细细的光环就是金星的大气。
    今年6月6日金星凌日前夕,太阳高度较低,为我们观察这一少见天象提供了理想的条件。平时我们看到的金星,是太阳顺光或侧光照射的。而这次金星凌日,是在逆光的条件下观察金星的。逆光观察金星有何好处呢?其一,可以勾画出金星正圆的轮廓,即剪影,因为平常我们看到的金星,不是正圆的。其二,通过逆光及其阳光的透射、折射和衍射,能进一步了解金星大气的厚度、密度和成分。
    第一个发现金星有大气存在的人是俄国科学家罗蒙诺索夫,他在1761年6月6日观察金星凌日时发现金星有大气。因此,在金星凌日进入凌始外切和凌终内切的19分钟内,是观察研究金星大气现象的最佳时机,也是观察金星凌日最重要的阶段。为何要这样说呢?如果两地(相隔几千千米)都观察到这四个阶段的准确时刻,也就是说观测到金星凌日全过程的持续时间,我们就能通过数学方法,求出太阳视差和日地距离。
    虽然通过观测金星凌日来计算日地距离,对于今天来说,没有什么重要意义了,因为现在可以通过其它更好的方法来计算日地距离。但通过观测金星凌日的实践,可以检验我们的观测方法、观测仪器和观测数据能否达到预期的目的。观测金星凌日的凌始内切和凌终内切期间,我们还可能观察到有“黑滴”现象,即太阳边缘与金星边缘靠得很近并将要接触时,有很细的丝条将两缘连接,这可能是光的衍射现象。

如何拍摄金星凌日
    拍摄金星凌日与拍摄太阳黑子和日偏食的方法相似。用望远镜拍摄,望远镜的口径要等于或大于80毫米, 焦距要等于或大于500毫米为好,配上赤道仪就更好。用相机镜头拍摄,镜头焦距最好大于500毫米。用数码单反相机配上快门线拍摄。拍摄前,要校正数码相机的内置时钟或了解相机内置时间与北京时间相差多少秒,以利日后给相片标上准确的拍摄时间,并可确定当地金星凌日的凌始内切和凌终内切的准确时间。滤光镜用巴德膜最好,安置在望远镜物镜的前面或相机镜头的前面。相机感光度(ISO)调至100或最低。镜头光圈用小光圈或最佳光圈,望远镜的光圈是固定的,不可调。拍摄时快门速度越快越好,通常不少于百分之一秒。
    今年是太阳活动高峰年,日面上经常有太阳黑子出现。如有太阳黑子,先拍摄太阳黑子,善用相机曝光补偿,从曝光稍欠和稍过各拍几张,以拍得太阳黑子的本影和半影层次分明、反差明显为理想,并以这最恰当的曝光值拍摄金星凌日。金星凌日的拍摄,关键和重点是拍摄凌始外切至凌始内切和凌终内切至凌终外切的过程。每个过程大约历时19分钟,可能要拍摄10多张相片,力求能拍摄到金星大气现象和“黑滴”现象。从凌始内切至凌终内切,虽然历时接近6个小时,可大约每隔15分钟拍摄1张相片,事后就可合拼成一张“葫芦串”的金星凌日路径图。不要忘记,把金星凌日与太阳黑子拍摄在同一张相片里,并在凌甚时(9时30分,金星最近日心),用不同的曝光值(曝光稍欠和稍过)拍摄几张金星凌日。日后,选取曝光值最佳的一张金星凌日相片送给您的朋友留念。

金星凌日与日地距离
    在人类历史上,观察金星凌日曾作为测量太阳视差和日地距离(天文单位)的科学活动。17世纪初,人们对地球与太阳的距离还没有一个准确的数据。人们只知道木星距离太阳比地球远,金星距离太阳比地球近。天体越远,视差越小。但在远多少,近多少,众说纷纭。当时的开普勒以及不少天文学家都认为,太阳视差大约是180角秒,这与今测值相差20多倍。因此,天文学家认为,测定太阳视差是“天文学中最崇高的问题”、又是“丈量宇宙的标准”。
    1716年,英国天文学家哈雷(1656至1742年)建议利用金星凌日去测定太阳视差和日地距离,这是当时精确测定太阳视差的理想方法。哈雷的观测方法是:两地(相隔几千千米)同时观测金星凌日,根据两地金星凌日经过日面弦线的时间长短,通过数学方法求出太阳视差。在那时,测定时间的精度远远超过测量角度的精度。1761年,全球天文界组织了130多个远征队到世界各地观测。当时观测结果差异较大,太阳视差为7.5至10.5角秒。1769年,世界各地的天文学家分布在77个地点观察,观测结果大有进步,太阳视差在8.5至8.8角秒之间。法国天文学家潘格雷(1711至1796年)综合分析了全部观测资料,在1775年公布了最新结果:太阳视差为8.8角秒。这在当时是一个十分准确的数据,可惜18世纪大多数天文学家没有承认它。
    1870年,美国天文学家纽康(1835至1909年)成立了观测1874年和1882年金星凌日的国际“金星凌日委员会”,并计划首次启用照相方法观测金星凌日。1874年的观测结果,太阳视差在8.76至8.91角秒之间。1882年,纽康成立了金星凌日观测队,亲自带队到南非观测。1882年的观测结果,太阳视差在8.80至8.85角秒之间。纽康综合分析了四次(1761年至1882年)金星凌日观测资料的过程中发现,要得到更准确的太阳视差值,还必须要有更准确的光速和光行差常数值。
    1895年,纽康综合分析了各种观测数据,最终得出太阳视差为8.797角秒,并得到国际天文界的承认。从1896年至1967年,国际天文界都采用了纽康制定的太阳视差值。目前,国际天文界一致公认最准确的太阳视差为8.794148角秒,日地距离(天文单位)为149597870千米。
    现今,测量日地距离(天文单位)已不采用观测金星凌日的方法,而采用雷达测距。方法是:用雷达,在金星下合日时测量地球与金星的距离,再在金星上合日时测量地球与金星的距离,然后将这两次的距离相加再除以二,就能得到比较准确的日地距离了。

金星凌日的五个世界第一
    世界上第一个用肉眼观察金星凌日的人是阿拉伯自然科学家、哲学家法拉比(870至950年),他在一张羊皮纸上写道:“我看见了金星,它像太阳面庞上的一粒胎痣。”据分析,法拉比一生中仅目睹到一次金星凌日,这次金星凌日发生在公元910年11月24日。
    世界上第一个向世人预告金星凌日是德国伟大的天文学家开普勒(1571至1630年)。他在1629年出版的《稀奇的1631年天象》一书中写道:1631年12月7日将发生金星凌日。
世界上第一个用天文望远镜观察金星凌日是英国的天文学家霍罗克斯(1619至1641年)和克拉布特里。他俩在1639年12月4日用望远镜观察到17世纪最后一次金星凌日。
世界上第一个提出用金星凌日测量太阳视差和日地距离(天文单位)的人是英国天文学家哈雷(1656至1742年),他在1716年建议在世界各地联合观察金星凌日,并论述了利用金星凌日测量太阳视差的方法,这是当时精确测定太阳视差的理想方法。
    世界上第一个发现金星有大气存在的人是俄国科学家罗蒙诺索夫(1711至1765年)。他在1761年6月6日观察金星凌日时发现金星有大气存在,这是人类在其它行星上首次发现了大气。

公元789年至3227年金星凌日凌始外切至凌终外切一览表(北京时间)

789年5月24日20时6分至25日3时52分
797年5月22日15时19分 至18时56分
902年11月26日17时前后金星从日面北缘外掠过
910年11月24日 1时59分 至 9时56分
1032年5月24日23时37分 至25日7时7分
1040年5月22日18时20分 至23时11分
1145年11月26日16时前后金星从日面北缘外掠过
1153年11月24日 1时6分至 8时46分
1275年5月26日 3时17分 至10时26分
1283年5月23日 21时9分 至24日2时45分
1388年11月26日14时前后金星从日面北缘外掠过 
1396年11月23日23时46分 至24日7时11分
1518年5月26日6时31分 至13时19分
1526年5月24日 0时6分 至6时11分
1631年12月7日11时37分 至14时54分
1639年12月4日22时53分 至5日5时53分
1761年6月6日 9时59分至16时25分
1769年6月4日 3时7分 至9时32分
1874年12月9日 9时41分 至14时26分
1882年12月6日21时52分 至7日4时11分
2004年6月 8日13时14分至19时26分
2012年6月6日 6时10分至12时50分
2117年12月11日 7时58分  至13时40分
2125年12月8日21时15分 至9日2时47分
2247年6月11日 16时42分  至22时20分
2255年6月9日 9时13分 至16时7分
2360年12月 13日 6时44分 至13时8分
2368年12月10日20时42分 至11日1时8分
2490年6月12日19时54分 至13日1时6分
2498年6月10日 12时5分 至19时15分  
2603年12月16日 5时12分 至12时12分
2611年12月13日 至20时38分 至23时22分 
2733年6月15日23时44分至16日4时7分
2741年6月13日 15时14分 至22时42分
2846年12月17日 4时 22分 至11 时 44分 
2854年12月14日20时前后金星从日面南缘外掠过 
2976年6月17日 2时58分 至6时43分  
2984年6月14日18时0分 至15日1时43分
3089年12月19日 2时59分 至10时44分
3097年12月16日19时前后金星从日面南缘外掠过
3219年6月20日6时37分 至9时20分
3227年6月17日20时53分 至18日4时45分

李建基本文发表在2012年第5期《天文爱好者》杂志第54至57页

温馨提示:不能用肉眼直接观测太阳,必须使用新鲜巴德膜滤光镜看。

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作者:李建基

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