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剛剛過去的木星沖日天象,說白了就是木星、地球、太陽三者連成了一條直線,形成了地球-木星-太陽這樣的排列組合。那么,當(dāng)它們?nèi)齻€連成一條直線,當(dāng)時形成地球-太陽-木星這樣的組合又是什么呢?除此之外,我們還知道,太陽系中有八顆大行星、幾百顆衛(wèi)星,如果它們跟地球、太陽連成一條直線又是什么天象呢?咱們來聊一聊太陽系中神奇的“三點一線”,把不同的叫法一次講明白。
我們以地球為參照物,將太陽系中的行星分成了兩大類:一類是位于地球軌道內(nèi)側(cè)的行星,我們稱之為內(nèi)行星(金星和水星);一類位于地球軌道外側(cè),稱之為外行星(火星、木星、土星等)。它們都在各自的軌道上運行,會在某個時刻與地球、太陽排成一條直線,形成各種令人驚嘆的天文現(xiàn)象。這些排列遵循著精確的數(shù)學(xué)規(guī)律,能夠被天文學(xué)家提前數(shù)年甚至數(shù)百年預(yù)測。
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沖日
當(dāng)外行星和地球、太陽連成一線,并且地球位于中間,也就是形成地球-外行星-太陽的排列時,就叫做“沖日”。如果外行星是火星,那就是火星沖日;如果是木星,那就是木星沖日。當(dāng)行星沖日時,外行星與太陽在地球的兩側(cè)遙遙相對,其被太陽照亮的一面完全面向地球。此時也是行星在會合周期內(nèi)離地球最近的時候。因此,沖日發(fā)生時,行星的亮度達(dá)到最大,且整夜可見,從日落到日出都懸掛在夜空中。在沖日發(fā)生的前后幾天,都是觀測該行星的絕佳時機。
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合日
那么,當(dāng)外行星與地球、太陽排成一條直線,但出現(xiàn)太陽-地球-外行星這樣的排列時會怎樣呢?這種現(xiàn)象叫做“合日”。這意味著,地球與外行星分別位于太陽的兩側(cè)。顯然,這時候的外行星處于會合周期內(nèi)離地球最遠(yuǎn)的位置。從地球上看,此時的外行星運行到了太陽的背面,完全被太陽的光輝所淹沒,仿佛消失了一樣,無法觀測。
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下合
聊完了外行星的“三點一線”,再來看看內(nèi)行星。我們以金星為例。當(dāng)金星運行到地球與太陽中間連成一線,形成太陽-金星-地球的排列時,叫做“下合”。發(fā)生下合時,金星與地球的距離達(dá)到會合周期內(nèi)的最近值,但此時金星面對地球的是其未被太陽照亮的夜半球。從地球上看,下合時金星與太陽的角距離非常小,它被太陽強烈的光線所湮沒。因此,此時的金星雖離地球最近,卻意外“消失”了。
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上合
當(dāng)金星和地球分別位于太陽兩側(cè),形成金星-太陽-地球的排列時,就叫做“上合”。跟外行星的合日情況類似,此時的金星也處在會合周期內(nèi)離地球最遠(yuǎn)的位置。從地球上看,金星同樣被太陽“擋住”而難以觀測。
太陽系中的另一顆內(nèi)行星——水星的情況與金星相同,這里就不再贅述。
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金星軌道與地球軌道平面
嚴(yán)格來說,很多時候金星與水星的下合現(xiàn)象發(fā)生時,并沒有和地球、太陽嚴(yán)格連成一條直線。這是因為金星的軌道平面與地球的軌道平面(黃道)并不重合,而是存在一個約3.4度的傾角。這意味著,當(dāng)金星運行到太陽和地球之間(即下合)時,它通常會在太陽的上方或下方“錯過”,而不會從太陽的圓面上穿過。
然而,總有特殊情況發(fā)生。當(dāng)金星處于“下合”位置時,同時又恰好運行到它的軌道與地球軌道平面的交點附近,它才會和地球、太陽精確排成一條直線。這時候,一種極為罕見的天象便發(fā)生了——金星凌日。從地球上看,一顆小黑點會緩慢橫穿太陽表面,整個過程持續(xù)數(shù)小時。
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金星凌日
為什么說金星凌日是極為罕見的天象呢?由于前面提到的軌道平面傾角造成了苛刻的條件,金星凌日的周期長達(dá)243年。金星凌日會以8年的時間間隔成對發(fā)生(例如最近的一次是2004年和2012年)。但這樣的一次凌日結(jié)束后,下一次凌日則要等待漫長的105.5年或121.5年。所以,我們再想看到金星凌日,就要等到2117年12月11日了。水星凌日相對常見,平均每100年發(fā)生約13次。
歷史上,金星凌日在科學(xué)上具有重要意義。18世紀(jì)的天文學(xué)家通過在全球多個地點觀測金星凌日,首次較為精確地計算出了日地距離,即天文單位的數(shù)值。
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月食日食發(fā)生的條件
太陽、地球和月球之間的三點一線,創(chuàng)造了太陽系中最壯觀的天象——日食和月食。
日食發(fā)生時,月球運行到地球和太陽之間,其影子落在地球表面。在影子范圍內(nèi)的人們會看到太陽被月球遮擋。根據(jù)觀測者所處位置的不同,日食可分為日全食、日環(huán)食和日偏食。
月食發(fā)生時,地球運行到太陽和月球之間,地球的影子投射到月球表面,使明亮的滿月逐漸變暗,常呈現(xiàn)為古銅色或暗紅色。
跟金星凌日的原理類似,由于月球軌道與地球軌道有約5度的傾角,并非每次新月或滿月都會發(fā)生日食或月食。只有當(dāng)月球運行到黃白交點附近時,“三點一線”才可能形成。
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回合周期的計算
外行星的沖日和內(nèi)行星的下合,其發(fā)生周期在天文學(xué)上統(tǒng)稱為 “會合周期” 。那么,如何計算行星與地球的會合周期呢?我們可以通過一個公式來計算:1/S = |1/E - 1/P|
其中,S為會合周期,E為地球公轉(zhuǎn)周期,P為行星公轉(zhuǎn)周期。公式的意思是:會合周期的倒數(shù),等于地球和行星公轉(zhuǎn)周期倒數(shù)之差的絕對值。
舉個例子,地球的公轉(zhuǎn)周期E約為365.25天,木星的公轉(zhuǎn)周期P為4332.59天,將其代入公式可得木星沖日的會合周期S約為398.88天(約399天)。金星的公轉(zhuǎn)周期是224.70天,代入公式可得其下合的會合周期約為583.92天(約584天)。
所以,當(dāng)我們知道了木星的沖日周期(會合周期)是399天,又知道上次木星沖日發(fā)生在2026年1月10日,那么就能推算出下一次發(fā)生的時間。翻開日歷數(shù)日子即可,結(jié)果是下一次木星沖日將發(fā)生在2027年2月14日左右。這樣推算的結(jié)果前后誤差通常在幾天之內(nèi)。
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五星連珠
除了嚴(yán)格的三點一線形成的天象外,太陽系中還有一種被稱為“行星連珠”的視覺現(xiàn)象。與沖日或凌日不同,行星連珠并非行星在空間上嚴(yán)格排成一條直線,而是多顆行星運行到太陽的同一側(cè),從地球看去,它們在天空中的位置非常接近,形成一條視覺上的“線”或一個“星群”。
現(xiàn)在,你看懂太陽系天體“三點一線”所形成的天象背后隱藏的“玄機”了嗎?一起來聊一聊吧!
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