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中科院物理所

(ID:cas-iop)
又是一年中秋节,不知有多少小伙伴和小编一样被疫情困在校园里呢?

好在疫情虽然能阻止家人之间的团圆,却阻止不了我们与明月的相聚。今年的月圆之夜正是在农历八月十五日中秋节当天,小伙伴们别忘了与家人们共享这美好的月色。
俗话说十五的月亮十六圆,听说今年竟然要十五圆了(月亮:我降价了)。这是怎么回事呢?别急,今天我们就来讲讲月亮的那些事儿。
十五的月亮十几圆?
实际上,“十五的月亮十六圆”只是古人通过观察总结的规律。有人统计过,从公历2005.1.1-2020.12.31共有198个满月,日期分布如下:
(数据来源:参考资料【1】)
可以看到,满月确实是在十六日这天出现最多,其次是十五日,但也会偶尔出现在十四、十七日
月亮的阴晴圆缺
月亮靠反射太阳光发亮,当月亮与太阳处于不同的相对位置时,便会呈现出不同的形状,这些不同的形状便是月相
为了更好地理解月相的变化,我们需要补充一些天文小知识。在天文学中,为了方便描述太阳系中天体的位置,有时会用到黄道坐标系。把地球保持球心与自转轴不变,无限放大后得到一个球体(天文学上称之为天球),以黄道为基圈,以经过春分点的黄经圈为始圈, 以春分点为原点组成的天球坐标系便是黄道坐标系;可以简单理解成以黄道面为纬度0°重建的坐标系。
来源:百度百科
黄道坐标系的经度叫做,两个天体的黄经的度数差便是黄经差
月相示意图。  来源:sohu(有修改)
当月球与太阳的黄经差为0°时,月球恰好处在地球与太阳连线上,在地球上几乎无法看到月亮,此时的月相称为朔月,此时对应农历的初一;
月球绕地球公转,当转到月球与太阳黄经差为90°和270°时,地月连线与地日连线垂直,恰好能看到一半的月亮,此时的月相为上弦月下弦月,分别对应农历的初八左右与二十三左右;
当月球与太阳黄经差为180°时,月球处在日地连线的延长线上,此时能看到满月,称为望月,通常在农历十五左右出现。
从一个朔月到下一个朔月的变换周期为29.5天,称为
朔望月
。农历上说的一个月指的就是一个朔望月。

月圆之夜在十六?
“十五的月亮十六圆”,这其实与农历的设计有关。
古代人民以朔月出现的这一天作为初一,而月亮的轨道是个椭圆,从朔月到望月并不总是朔望月的一半,而是会根据月亮的位置略有增减,于是在十五日前后几天都可能出现望月。
至于望月出现在十六日的概率最高,这同样与初一的定义有关。
无论是凌晨还是深夜,只要朔月出现在这一天,都把这一天作为初一。
望月和朔月时间差的期望为14.75天,也就是说,只要朔月出现在初一的06:00以后(即初一已过了0.25天),望月出现的日期便大概率会来到十六日这天。这也就是“十五的月亮十六圆”的原因。
朔望月、恒星月与近地月
细心的小伙伴可能已经想到了,月亮的公转周期不是27.3天吗?前面提到的29.5天的朔望月与公转周期有什么区别呢?
这其实是同一个行星(或其它天体)根据不同的计算方式而得到的多种轨道周期。
朔望月的含义之前已经做过解释,对月球来说,还有两种轨道周期较为经常使用,一个是月球相对于一颗恒星来说的公转周期,称作恒星月,周期为27.3天;另一个是月球两次经过地球近地点的时间间隔,称为近点月,周期为27.5天。类似的,地球有回归年(365.242日)与恒星年(365.256日)。
朔望月与近地月原理演示图。  来源:知乎@苏月
上图粗略展示了朔望月与近地月产生差异的原理。A、B两点相对于地球位置相同,月球从A点到B点的时间间隔便是近地月。而由于地球公转,当月球运动至B点时,相对于太阳的位置与A点不同,还需要继续运动到C点才能使相对位置与A点相同,从C点到B点的时间间隔便是朔望月。所以朔望月比近地月要多大约两天。
近地月比恒星月长的不同则是因为月球近地点东进的影响,即在太阳引力的作用下,月球近地点每个月会有3°的向东移动,这个移动导致了近地月要比恒星月长。
大小白玉盘
望月每个月都有,但中秋之夜的月亮总感觉更大更圆一些,这莫不是中秋的情怀加成?
其实这还真有一定的科学依据。中秋节正处于秋分前后,此时干冷空气驱散云雾,白天秋高气爽,晚上自然也会显得月亮更大更圆一些。
但要说到月亮的大小,那一定绕不开“超级月亮”。月相之中,望月最大,当望月遇上近地点,就能得到比平时看到月亮大12%-14%的超级月亮。当然,科学家更喜欢称之为近地点满月
由前面的介绍可以知道,月球的朔望月比近点月多两天,在上一个近地点满月之后,根据二者周期的最小公倍数,大约经过14个望朔月(15个近点月)就又是一个近地点满月,这样超级月亮的出现周期便可大体估算为14个月。但实际上,因为到底多大才算超级月亮并没有准确的定义,很多接近近地点的满月也被叫做了超级月亮,所以超级月亮的实际周期会与计算略有偏差。
两小儿辩“月”
两小儿辩斗。
一儿曰:“月初出大如车盖,及月中则如盘盂,近者大而远者小,故月初出近,月中时远。”
一儿曰:“月初出凉而温和,及月中则如触冰,近者热而远者凉,故月初出近,月中时远。”
孔子未至,而两小儿达成共识,欢乐回家。
开个小玩笑。月球远近自然与月球在轨道上的位置有关,“月中”时冷也只是因为日落后地球失去热量而没有外来补充,但月亮在地平线附近看起来确实会更大一些,这是为什么呢?
这其实是典型的“
月亮错觉
”(moon illusion)现象。如上图所示,当我们在看地平线附近的月亮时,
由于地平线等参照物的影响我们会倾向于认为月亮位置要比在天顶时更远
;在这种判断影响下,虽然投影在视网膜上的月亮图像大小是一样的,但是大脑为了补偿这种判断便会将地平线附近月亮的图像放大。于是我们会感觉地平线附近的月亮更大一些。

图源:Unsplash
上述解释其实就是“视距离”理论的一个应用,同样的应用还有下图,虽然“后面”的球看起来更大,但是实际上两个球大小完全相同。(实际上,“后面”这个词并不准确,这种前后的空间感只是画的布局所带来的错觉,这里用左右来描述两个球的位置会更准确。)
来源:http://hboyaci.bilkent.edu.tr/Vision/
日月当空照
今年的望月出现时间是9月21日上午7时55分,很遗憾在这一时刻出现在白天,难道十五的圆月终究要错付了吗?
让我们来分析一下白天有没有看到满月的可能。
首先,日出月落的规律并非绝对,日月同辉也并不罕见。一般来说,初八前后下午的东南方位二十三前后上午的西南方位就比较容易看到月亮。(想晚上看见太阳就只能让周公来帮你了)
要在白天看到月亮有两个条件:一是白天时月亮仍在地平线以上且高度足够高不被建筑阻挡;二是月亮的亮度足够大不会被太阳的光芒掩盖
我们结合着之前的月相示意图来看这个问题。上下弦月恰好满足上述两个条件。一方面,出现弦月时,月球与太阳的黄经差恰好是90°(270°),地月连线与地日连线垂直,月亮与太阳的升落恰好差了半天,所以总有半天左右的时间太阳和月亮是同时出现在天空的;另一方面,上下弦月的月相较大,反射太阳光较多,亮度较高,当太阳光不是很强的时候便能够看到。这便是前面所说初八以及二十三前后容易在白天看到月亮的原因。
通过这些分析,想必小伙伴们也能反应过来了,我们是不可能在白天看到满月的。(不考虑升到高空的情况。)满月发生时,月球与太阳黄经差为180°,二者位于地球的两边,严格满足日升月落的规律
来自stellarium网站的数据也验证了上述的推论,在本月21日满月出现时,月亮正位于地平线以下23°的位置,无法被看到。
但是没有关系!既然白天看不到,那我们就去还在夜晚的地方!
没错,之前所提到的计算与说明都是基于北京时间的情况,而根据timeanddate网站提供的数据,位于俄罗斯的新西伯利亚市的月落时间是当地的6时59分,月圆时刻是当地的6时54分;新西伯利亚市与我国新疆的和田市经度接近,也就是说,只要到达和田市及以西的地方,我们就能看到月亮最圆的那一瞬间了
最后提醒各位小伙伴,当前疫情形势依然严峻,如能避免还是尽量不要到处乱跑。因为——中秋晚上的月亮一样很圆在这里预祝大家,中秋快乐、万事顺意
参考资料:
编辑:乐子超人、蕉

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