从金星凌日到水星凌日

□ 星渺微尘



从金星凌日到水星凌日

□ 星渺微尘

2016年5月9日，一次水星凌日天象即将上演。一提起凌日，想必大家还对前几年的金星凌日记忆犹新，那么水星凌日和金星凌日有什么不同呢，它又有什么看点呢？下面我们就一起来探究关于凌日的那些奥秘。

什么是凌日

汉语中，“凌”有穿过、经过的意思，那么凌日指的就是小一些的天体穿过日面的现象。如果是一个与太阳看上去差不多大的天体穿过太阳，我们就不说“凌”了，而是称之为“食”。例如月球挡住太阳就是日食，而不说“月球凌日”。如果前方的天体看起来比背景天体大很多，我们就称为“掩”，例如月掩星。实际上，无论是“凌”“食”“掩”，都是一类天象，只不过产生的视觉效果不同。

相对比较常见的凌日是人造天体凌日，如著名的国际空间站凌日。这样的凌日虽然时常发生，但人造天体移动得太快，观测的难度比较大。除此之外，我们能想到的其他凌日天体，也就是水星、金星这两颗内行星了。

位于地球公转轨道内侧的行星只有水星和金星，所以我们在地球上只能看到这两颗行星的凌日，外行星是不会凌日的。如果你能到火星上观测，那就还有可能看到“地球凌日”。当然，处于轨道更靠外的行星上，你能看到的凌日种类也就越多。但现在，我们先不考虑那么多，把思绪拉回到地球上，看看我们能观测到的水星和金星凌日。

内行星与外行星相对于太阳的运动示意图

罕见的金星凌日

无论是水星凌日还是金星凌日，都只是一个小黑点，在数小时内缓慢移动穿过太阳表面。这类天象的精彩程度完全无法与日食相比，但为什么每次凌日媒体都会炒得沸沸扬扬，进而引起全世界的广泛关注呢？其中一个重要原因就是它们都很罕见。根据计算，水星凌日每百年大约发生13次，而金星凌日的频率更是低到每百年不到2次。

内行星在其公转轨道上相对地球和太阳有四个特殊位置，分别是上合、东大距、下合、西大距。无论是水星还是金星，由上合经东大距运行到下合位置期间，它会在傍晚出现在西边天空中，为昏星；而它继续经西大距回到上合位置过程中，会在早晨出现在东边天空中，为晨星。在下合期间，内行星位于地球和太阳之间，这就是可能发生凌日的时刻。

金星凌日的多张叠加照片

水星公转周期为87.97天，金星距离太阳更远，绕日一圈需要将近224.65天，而地球则是365.25天。根据会合周期公式，我们可以计算出在地球上观测，水星下合的间隔是115.93天，金星则长达583.92天。如果水星和金星的公转轨道都与地球在同一个平面内，那么每次下合都会发生凌日，凌日的周期也就是上面的会合周期。然而理想很丰满，现实却很骨感，水星和金星的实际轨道并不与地球共面，这就是导致凌日非常罕见的直接原因。

2012年6月6日的金星凌日，凌始内切。

我们先来看看金星凌日，虽然更为少见，但其规律却要比水星凌日简单。日食有“食限”的概念，也就是说月球需要在黄白交点附近一定范围内，且赶上“朔”才会发生日食。凌日的情况与之类似，金星公转轨道与黄道的夹角约为3.4°，也有升、降两个交点，下合时金星与太阳的角距离最多可达8.9°，而太阳的视圆面不会超过30′，因此下合必须与交点非常接近才会发生凌日，我们可以把这个界限称为“凌限”。金星凌日的凌限大约是1天多，也就是说下合与金星通过交点的精确时刻相差2天以内，就会发生凌日。

假设某一时刻发生了金星凌日，即金星不仅处于下合位置，还在其轨道与黄道的某个交点上。而下次金星和地球再次回到同一位置时，肯定还会发生凌日。那么多长时间后它们会出现在同一个位置呢？金星和地球的运动是否存在更大的周期呢？我们只需要对金星公转周期和会合周期取一个最小公倍数。当然，这几个数值都非常精确，取最小公倍数只能是在一定的精度上完成。相对粗略的公倍数是8个地球年，即2922天，相当于13.007个金星年和5.004个会合周期。也就是说，一次金星凌日之前或之后的2922天，也会发生一次金星凌日。但由于已经差了1天多，再向前或向后推8年，金星就会离交点更远，超过凌限，也就不会有凌日发生了。如果计算一个更精确的公倍数，我们会得到88757天。地球上的243年是88757.3天，金星公转395圈是88756.9天，而152个会合周期是88755.8天。这个误差更小，显然是金星凌日更加稳定的周期。在这个周期里，金星开始为两个间隔8年的相同交点凌日，再间隔100多年出现两个同样间隔8年的另一个交点凌日，100多年之后又是一对同交点凌日，周而复始。

观众来到北京天文馆观测金星凌日

2 0 1 2年金星凌日观测活动工作人员合影

有一个很重要的问题，金星不同交点发生的凌日情况不同。近几个世纪，金星降交点是在6月8日前后，升交点在12月10日前后。由于金星和地球的轨道都是椭圆，因此升、降交点发生凌日时两者的距离不同，升交点平均为3900万千米，降交点则为4300万千米。相同情况下，金星距离我们越远的下合越容易发生凌日。因此在上面提到的正常周期下，6月的凌日不会缺席，而12月的凌日有时会出现金星只是从日面边缘掠过的情况，地球上有些地方即使是在白天也观测不到。但升交点凌日金星距离我们更近，视面积会大一些，观测效果更好。好消息是下一次金星凌日就是升交点凌日，坏消息是它将发生在2117年12月11日。

水星凌日

说了半天金星凌日，我们大家今生可能都无缘再看了，而水星凌日确实近在眼前。

水星凌日发生的条件与金星凌日相同，即“交点附近的下合”，但它出现的频率更高，主要由以下两方面因素导致。首先，水星的会合周期比金星短，每年都会有3次下合，因此更容易赶上其穿过轨道交点的时刻。其次，虽然水星轨道与黄道面的夹角可达7°，但它距离地球更远，下合时平均也有9300万千米，凌限反而更大，即更容易发生凌日。但水星公转轨道受太阳影响很大，除了倾角大以外，偏心率也很大。地球和金星的轨道虽然并非正圆，但十分近似，而水星的轨道偏心率大于0.2，为行星中最大的。因此水星凌日的规律非常复杂，大致为平均每百年出现13次。水星的降交点是在5月8日前后，升交点是在11月10日前后，通过升交点时的水星距离地球更远，发生凌日的概率也更大。在近50次水星凌日中，发生在11月的有35次，而5月的则只有15次。

说到这儿大家就应该明白了，5月的水星凌日几乎和金星凌日一样罕见了。如今年这次之后，下个5月水星凌日要等到2049年了。很少有人一生中能看到两次金星凌日，而能看到两次以上5月水星凌日的人也是凤毛麟角。

水星凌日示意图

凌日的观测

下合期间是金星距离我们相对较近的时段，其大小已经接近了人的肉眼分辨能力，早在望远镜发明之前人们就关注过金星凌日天象。但即便如此，在升交点凌日期间金星的视面积也不过1′多一点，如果不是对其运行规律有很精确的计算，再配上极佳的视力，很难把它和太阳黑子区分开来。最早关于金星凌日的记录来自阿拉伯科学家法拉比，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。”据推算，他看到的是发生在公元910年11月24日的金星凌日。当然，他也极有可能是将太阳黑子误认成了金星。第一个将金星轨道精确计算并预测金星凌日的是天文学家开普勒，但由于存在误差，他预报的1631年的凌日在欧洲并没有被观测到。之后1639年的金星凌日是人类首次使用天文望远镜对其进行科学观测。

在观测凌日方面，笔者算是幸运儿，此前已经成功看到了两次金星凌日和一次水星凌日，并且两次金星凌日是在同一个地点观测的。2004年，刚刚入职北京天文馆，笔者赶上的第一个大型观测活动就是6月8日的金星凌日。那次凌日具有划时代的意义，因为再之前的一次是1882年，可以想象这120多年里人类社会的发展变化是多么巨大。19世纪时的天文观测也就是个别人和个别地区的行为，而2004年的金星凌日已经实现了全球网络直播。遗憾的是，当时笔者的观测仅限于肉眼，并没有留下哪怕一张照片。2012年6月6日清晨，天空中乌云密布，但笔者还是早早来到了北京天文馆，架好望远镜，等待日出后的入凌。那次的运气非常好，虽然天气预报比较悲观，许多同事也纷纷离京前往其他地区观测。但在入凌过程和中段的大部分时间，太阳还是从云缝中探出头来，也有数百名观众专程来到天文馆观测这次凌日。这两次凌日期间，金星的角直径都接近58″，可以在佩戴太阳观测镜的情况下直接用肉眼看到。

笔者在观测水星凌日

水星的半径只有2440千米，甚至比木卫三、土卫六还要小，并且同样是下合期间，它比金星距离还远，视面就更小了，所以观测水星凌日是离不开望远镜的。但望远镜和太阳之间，绝不能那么直接面对，必须采取减光措施，在望远镜物镜端罩上巴德膜，是最简单和安全的方式。通常大家能买到的巴德膜是A4纸大小，需要对其进行剪裁，在硬纸板上开好适合望远镜口径大小的洞，然后用透明胶将巴德膜的边缘牢牢粘在纸板上，这样才能适用于你的望远镜。有的人可能会觉得，日出之后不久和日落之前的太阳并没那么耀眼，是不是就不用减光啦？事实上，望远镜对光的汇聚能力很强，当你长时间盯着目镜中的太阳看时，视网膜实际上在持续受到灼烧的伤害，往往感觉到疼痛就为时已晚了。因此，在观测太阳时大家一定要注意采取减光措施，即便是在透明度很差、太阳光确实很暗的情况下，可以尝试用相机拍摄，也尽量不要用肉眼直接看。

2006年11月9日的水星凌日，水星（日面右上边缘）即将移出之前。

巴德膜

2006年11月9日清晨，北京天文馆的工作人员和一些天文爱好者来到位于北京南郊的南海子麋鹿苑，对21世纪首次升交点水星凌日进行了观测，当时的情景令人至今难忘。日面上的水星只是一个很小的点，不仔细观察很容易和黑子相混淆。那次水星距离地球约1亿千米，角直径只有13″左右，不使用望远镜是根本看不到的。而且在北京只能看到带凌日出，也就是凌日过程最后很小的一段。尽管如此，大家依然兴致高昂，进行了照相和摄像观测。

时光飞逝，一晃九年，水星凌日再次回到了我们的视野。作为降交点凌日，这次的观测条件稍好，水星的角直径接近16″。在天文学家看来，水星凌日依然是研究太阳、水星及其运动规律的好机会。但水星凌日并非能给我们带来震撼的天象。本次凌日，我国可见的区域主要在西部，且越往西见凌时间越长。小型的双筒望远镜都比较难看清水星，这意味着你需要携带一台较大口径的望远镜，因此非专业人员长途跋涉去观测水星凌日似乎不太值当。但对于不想错过任何一次凌日的你来说，又有什么是不可能的呢？

（责任编辑 张恩红）