今年6月6日人們將能觀賞到金星凌日奇景。說是奇景，因?yàn)槭菢O其罕見的天象。屆時(shí)金星看起來是一個(gè)小小的黑點(diǎn)，從太陽的東邊緣進(jìn)入，在明亮的太陽圓面上緩緩移行，歷時(shí)6個(gè)小時(shí)，最后從太陽西邊緣移出。金星侵入到日面，“凌”正是侵犯的意思，所以稱凌日。人類關(guān)注金星凌日已有數(shù)百年之久。

金星的視運(yùn)動(dòng)

金星的軌道在地球軌道之內(nèi)，它與水星一起，通常稱為內(nèi)行星或地內(nèi)行星。它到太陽的平均距離約0.72天文單位（1天文單位為1.5億千米)，公轉(zhuǎn)周期為224.695日。

金星從太陽的東邊緣進(jìn)入，在明亮的太陽圓面上緩緩移行，歷時(shí)6個(gè)小時(shí)，最后從太陽西邊緣移出

當(dāng)一顆內(nèi)行星繞太陽公轉(zhuǎn)時(shí)，地球上會(huì)看到一些重要的運(yùn)動(dòng)特征。如東大距和西大距，它們是從地球上看內(nèi)行星與太陽距離的張角最大的地方。對金星而言此角為45°~48°。金星的東大距發(fā)生于夕陽西下之后，這時(shí)候的金星又以長庚星為名閃耀夜空；而西大距則發(fā)生于朝陽東升之前，這時(shí)候的金星作為啟明星高懸蒼穹。若通過望遠(yuǎn)鏡觀測，可以看到被太陽照亮的金星正巧有一半面向觀測者，呈現(xiàn)出與月亮上弦或下弦相類似的位相。內(nèi)行星還會(huì)出現(xiàn)上合（行星位于地日連線的外側(cè)，也稱為外合）和下合（行星位于地日連線的內(nèi)部，也稱為內(nèi)合）的天象，從地球上看去它們與太陽在同一方向上，但一般來說，除了下合時(shí)發(fā)生凌日這一特殊情況外，此時(shí)我們看不到它們。

與凌日密切相關(guān)的是下合。根據(jù)地球和金星的會(huì)合周期以及它們各自的公轉(zhuǎn)周期就可以很容易地算出下合時(shí)間來。在連續(xù)兩次下合期間，地球轉(zhuǎn)過了1.5987周（360°+215°31'），而金星則要轉(zhuǎn)過2.5987周（720°+215°31'）。以2004年6月8日的這次金星下合（這一次適逢凌日）為例，其后的第一次下合發(fā)生在2006年1月13日，以下的第二次至第五次發(fā)生在2007年8月18日、2009年3月28日、2010年10月30日和6月6日（這一次又是凌日）。

若內(nèi)行星下合時(shí)，地球、該行星和太陽三者恰好又位于一直線上，這時(shí)就發(fā)生凌日了。由于行星的視直徑遠(yuǎn)比太陽小得多，所以它在太陽表面只能呈現(xiàn)為一個(gè)小黑點(diǎn)。并不是每一次金星下合都會(huì)發(fā)生凌日，這是因?yàn)榻鹦抢@日運(yùn)動(dòng)的軌道面與黃道面有傾角，這個(gè)傾角約3°24'。只有當(dāng)金星運(yùn)行到其軌道面與地球軌道面的交線的同時(shí)又處于下合時(shí)，才會(huì)看到金星凌日。在天文學(xué)上討論天體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，把天體連同它們的軌道都投影在天球上，地球軌道面在天球上的投影稱為黃道。金星軌道面與地球軌道面的交線在天球上投射出兩個(gè)交點(diǎn)。當(dāng)金星沿著軌道運(yùn)行，從黃道以南進(jìn)入黃道以北所經(jīng)過的交點(diǎn)稱為升交點(diǎn)，反之，另一個(gè)交點(diǎn)稱為降交點(diǎn)。在升交點(diǎn)和降交點(diǎn)都能發(fā)生凌日。

根據(jù)計(jì)算，金星凌日平均每243年才發(fā)生4次。水星凌日的情況也類似，可是頻次要高得多，平均每世紀(jì)發(fā)生13次。

金星凌日的周期

從金星的公轉(zhuǎn)周期和地球的公轉(zhuǎn)周期（365.25636日）可以算出從金星的一次下合到下一次下合的時(shí)間間隔（會(huì)合周期）為583.92日。從數(shù)學(xué)上容易理解，金星凌日的周期必須既是會(huì)合周期的倍數(shù)，又是金星公轉(zhuǎn)周期和地球公轉(zhuǎn)周期的倍數(shù)。天文學(xué)家們計(jì)算出的243年的金星凌日周期，約為88757日，相當(dāng)于152個(gè)金星會(huì)合周期，395個(gè)金星公轉(zhuǎn)周期和243個(gè)地球公轉(zhuǎn)周期。經(jīng)過這段時(shí)間間隔后，金星與地球差不多同時(shí)回到各自軌道上的同一位置。

地球大致上在每年12月10日前后經(jīng)過金星軌道的升交點(diǎn)，在每年6月8日前后經(jīng)過金星軌道的降交點(diǎn)，因此金星凌日只能發(fā)生在這兩個(gè)日期前后。

金星軌道面與黃道面的夾角導(dǎo)致并非每次下合都會(huì)凌日。另一方面，這個(gè)夾角的大小又決定了相隔8年形成一組凌日的特點(diǎn)。設(shè)想若太陽在天空只是如同金星般大小的一個(gè)“光點(diǎn)”，則必然要求金星正好到達(dá)交點(diǎn)上時(shí)才會(huì)發(fā)生下合，進(jìn)而形成凌日現(xiàn)象。事實(shí)上，太陽在天空中是一個(gè)有一定大小的“光盤”，它的視直徑平均約為32′。這樣，當(dāng)金星在天空運(yùn)行到與交點(diǎn)有一定角距離下合時(shí)，仍能發(fā)生凌日�？紤]到這種情形有可發(fā)生在交點(diǎn)的東、西兩邊，所以這樣一段距離的極大值的兩倍稱為凌日限。只要金星下合在凌日限內(nèi)發(fā)生，就能觀測到金星凌日。在觀測者位于地心的理想狀態(tài)下，凌日限的寬度約為8°，即在交點(diǎn)之東和之西各4°�？紤]到各種具體情況，實(shí)際上凌日限約為6°左右。例如2004年6月8日下合發(fā)生凌日時(shí)金星在軌道上位于降交點(diǎn)之東1°24′（我們把軌道上的這一點(diǎn)稱為凌日點(diǎn)），而6月6日下合時(shí)凌日點(diǎn)將在降交點(diǎn)之西1°1′，都在交點(diǎn)之東或之西的3°之內(nèi)，故這兩次下合之際都能觀測到凌日。這兩次凌日相差8年（少兩日），而凌日點(diǎn)向西移動(dòng)了2°25′。

前面給出的金星會(huì)合周期約為1.5987年，近似為1.6年，所以8年前后的兩次凌日，正好經(jīng)過了5次下合。我們知道，兩次相鄰會(huì)合的會(huì)合點(diǎn)之間相距約216°，而五次以后的會(huì)合點(diǎn)，則幾乎回到了原來的位置上了。因?yàn)?16°×5=1080°（360°×3），也就是會(huì)合點(diǎn)移動(dòng)了3周。但是，請注意實(shí)際的會(huì)合周期比1.6年要略小一些，這使得實(shí)際上五次以后的會(huì)合點(diǎn)移動(dòng)了1077°35'。這就是說，五次以后的會(huì)合點(diǎn)，比原來的位置要向西移動(dòng)約1080°-1077°35'=2°25'。金星與黃道的交點(diǎn)（升交點(diǎn)和降交點(diǎn)）也在移動(dòng)，移動(dòng)的速度平均約0.0090°/年。以這樣小的移動(dòng)速度，交點(diǎn)在8年內(nèi)的移動(dòng)量才約4'，相對于會(huì)合點(diǎn)的移動(dòng)完全不會(huì)產(chǎn)生可觀的影響。以2004年6月8日與6月6日兩次凌日的情況為例，可以看出，這兩次相鄰凌日之間，也就是五次會(huì)合之后，凌日點(diǎn)（也就是會(huì)合點(diǎn)）向西移動(dòng)了2°25'。2004年的凌日是在凌日限之內(nèi)，8年以后會(huì)合點(diǎn)雖然西移了，但仍在凌日限之內(nèi)，所以也會(huì)發(fā)生凌日，而且由于凌日點(diǎn)西移了2°多，凌日發(fā)生的日期提前了2天。

那么，再過5次會(huì)合之后的2020年，會(huì)合點(diǎn)再要西移2°多，將會(huì)越出凌日限。以后每過五次會(huì)合，會(huì)合點(diǎn)不斷西移，每過8年才移動(dòng)2°多，何其緩慢！一直要等到會(huì)合點(diǎn)移動(dòng)進(jìn)入另一個(gè)交點(diǎn)的凌日限內(nèi)才會(huì)再次發(fā)生凌日。這一等就是一百多年！那時(shí)，凌日點(diǎn)在凌日限內(nèi)移動(dòng)1次，不會(huì)越出界限；再移動(dòng)1次，卻到了凌日限之外了。所以，發(fā)生金星凌日總是一組兩次，相隔8年。

對于8年的金星周期，我國的天文學(xué)家早在2200多年前就發(fā)現(xiàn)了。成書在西漢的《五星占》寫道：“五出，為日八歲，而復(fù)與營室晨出東方。”這是說金星的五個(gè)會(huì)合周期恰好等于8年，即金星在8年前或8年后會(huì)在相同的時(shí)間里復(fù)現(xiàn)在相同的星座。這說明我國古代天文學(xué)家早已掌握了金星與地球在運(yùn)行中相對位置變化的規(guī)律。

金星凌日可分為兩種：一種是降交點(diǎn)的金星凌日，它發(fā)生在6月8日前后。這時(shí)金星由北往南經(jīng)過日面；另一種是升交點(diǎn)的金星凌日，它發(fā)生在12月10日前后，這時(shí)金星由南往北經(jīng)過日面。人們可能以為，降交點(diǎn)和升交點(diǎn)的金星凌日是成對地交替出現(xiàn)的，在數(shù)量上不分軒輊。其實(shí)不然，兩者在數(shù)量上并不相等，降交點(diǎn)的金星凌日比升交點(diǎn)的多。例如，通過計(jì)算可知，從公元902年至3097年，共出現(xiàn)19組金星凌日，而能觀測到的只有33次，其中降交點(diǎn)凌日有19次，而升交點(diǎn)凌日只有14次。原因在于，金星在降交點(diǎn)時(shí)，距離地球較遠(yuǎn)，達(dá)4321萬千米；而在升交點(diǎn)時(shí)，距離地球較近，只有3947萬千米。在同等條件下，如果距離地球較遠(yuǎn)，金星凌日發(fā)生的幾率就較高。

從降交點(diǎn)凌日到升交點(diǎn)凌日經(jīng)過105.5年，而從升交點(diǎn)凌日到降交點(diǎn)凌日則要經(jīng)過121.5年。相比之下，后者比前者多16年，也就是兩個(gè)五次會(huì)合。在降交點(diǎn)凌日時(shí)，凌日點(diǎn)偏于凌日限的西邊緣。當(dāng)經(jīng)過13個(gè)五次下合加上1年半（共105.5年）之后，凌日點(diǎn)進(jìn)入升交點(diǎn)凌日限的東邊緣。在發(fā)生兩次凌日，凌日點(diǎn)離開升交點(diǎn)凌日限后，凌日點(diǎn)要多向西移4°多才能進(jìn)入降交點(diǎn)的凌日限，這就是由降交點(diǎn)凌日到升交點(diǎn)凌日要多16年（2個(gè)五次下合）的原因。

金星軌道的兩個(gè)交點(diǎn)是自西向東移動(dòng)的，在短期內(nèi)這種移動(dòng)的影響不大，但是經(jīng)過長時(shí)期的日積月累，效應(yīng)也就顯現(xiàn)了。2004年6月8日金星凌日比1761年6月6日金星凌日推遲了兩天，即在243年中，金星的降交點(diǎn)向前（向東）移動(dòng)了2°11'，對于地球的軌道運(yùn)動(dòng)來說，必須再過兩天才能到達(dá)這個(gè)交點(diǎn)。

觀測金星凌日的歷史及科學(xué)意義

有記載的人類歷史上第一個(gè)用肉眼觀察金星凌日的人是古代阿拉伯自然科學(xué)家兼哲學(xué)家法拉比（870年~950年），他在一張羊皮紙上寫道：“我看見了金星，它像太陽面龐上的一粒胎痣�！睆乃�所處的時(shí)代來看，法拉比目睹到這次金星凌日發(fā)生在公元910年11月24日。

英國天文學(xué)家霍羅克斯正在通過望遠(yuǎn)鏡觀察1639年的金星凌日，他和好友克拉布特里是世界上第一個(gè)用天文望遠(yuǎn)鏡觀察金星凌日的人。

1768年到1771年，英國著名航海家?guī)炜藖淼侥咸�平洋測繪了新西蘭和澳大利亞海岸，并進(jìn)行了金星凌日的觀測。

德國天文學(xué)家開普勒（1571年~1630年）是歷史上第一個(gè)預(yù)告金星凌日的人。他在1629年出版的《稀奇的1631年天象》一書中寫道：1631年12月7日將發(fā)生金星凌日。

世界上第一個(gè)用天文望遠(yuǎn)鏡觀察金星凌日的是英國天文學(xué)家霍羅克斯（1619年~1641年）和克拉布特里。他們在1639年12月4日用望遠(yuǎn)鏡觀察到了那天發(fā)生的金星凌日。

俄國科學(xué)家羅蒙諾索夫（1711年~1765年）在觀察1761年6月6日發(fā)生的金星凌日時(shí)，發(fā)現(xiàn)金星在進(jìn)入太陽邊緣時(shí)陽光產(chǎn)生奇特現(xiàn)象，從而推斷金星有大氣存在。這是人類首次發(fā)現(xiàn)其它行星上的大氣。

英國天文學(xué)家哈雷（1656年~1742年）發(fā)現(xiàn)觀測金星凌日能測定地球到太陽的距離。他曾提出過一種精確測定太陽視差的理想方法。但是以后的金星凌日必須等待到1761年和1769年才會(huì)發(fā)生。哈雷知道他此生將無緣參與其事，但是希望后人按他給出的方法去測定地球到太陽的距離。

在1761年和1769年的這兩次凌日發(fā)生之前，許多天文學(xué)家便作了準(zhǔn)備，并且派出不少遠(yuǎn)征隊(duì)到世界各地去。由1761年的凌日得到的結(jié)果從7.5角秒到10.5角秒都有，彌散度很大，所以天文學(xué)家們期待著1769年的凌日觀測能得到更好的數(shù)值。

1768年到1771年，英國著名航海家?guī)炜耍?728年~1779年）首航來到南太平洋，測繪了新西蘭和澳大利亞海岸。不過，他還有另一項(xiàng)重要的任務(wù)。英國皇家學(xué)會(huì)委托他在南半球與北半球的天文學(xué)家們同時(shí)進(jìn)行金星凌日的觀測。1769年6月3日，這一天天氣十分晴朗，庫克在塔希提（太平洋中南部澳大利亞東面向風(fēng)群島中最大的島嶼，現(xiàn)為法國屬地）觀測了金星凌日的全過程。其他的天文學(xué)家在美洲的下加利福尼亞、休斯頓和歐洲北部的挪威觀測到了這次天文事件。法國天文學(xué)家拉朗德（1732年~1807年）集中了他們的所有結(jié)果，算出太陽距離地球1.33億千米，這個(gè)結(jié)果比現(xiàn)代值1.496億千米稍小。后來，法國天文學(xué)家潘格雷（1711年~1796年）分析了當(dāng)時(shí)的全部資料，于1775年算出了太陽視差相當(dāng)接近于8.8角秒�，F(xiàn)在看來這是一個(gè)相當(dāng)精確的數(shù)值，可惜當(dāng)時(shí)沒有引起人們的注意。

在這兩次金星凌日的觀測熱潮中，最不走運(yùn)的要數(shù)法國天文學(xué)家勒讓蒂了。他于1760年出發(fā)前往法屬印度的龐地謝里。他在旅途的船上冥思苦想解決問題的方法，得到的結(jié)論卻毫無科學(xué)價(jià)值，所以他決定繼續(xù)留在當(dāng)?shù)�，等�?769年的那次凌日，但凌日那天卻恰逢烏云遮蔽天空，不能觀測。不久后他回到法國，卻發(fā)現(xiàn)財(cái)產(chǎn)已被他人分割，職位也已被他人占據(jù)了。

德國天文學(xué)家恩克（Encke）于19世紀(jì)初深入探討了前人的太陽視差測量結(jié)果后，在1824年公布的結(jié)果是8.57角秒，地球距離太陽1.53億千米。這個(gè)數(shù)值在19世紀(jì)上半葉被天文學(xué)界公認(rèn)。1865年，美國天文學(xué)家紐康（1835年~1909年）將當(dāng)時(shí)可用的數(shù)據(jù)綜合討論后，求得的數(shù)值是8.85角秒。

在1874年與1882年又先后發(fā)生了兩次金星凌日。許多國家的天文學(xué)家作了大量準(zhǔn)備工作，希望由觀測求得更好的數(shù)值。可是由于觀測上的困難，引入了嚴(yán)重的誤差。天文學(xué)家由前一次觀測求得的太陽視差值在8.76角秒與8.91角秒之間；由后一次求得的數(shù)值在8.80角秒與8.85角秒之間。紐康重新綜合前兩世紀(jì)的4次金星凌日，于1895年又重新得出了一個(gè)太陽視差的結(jié)果：8.797角秒。這是一個(gè)相當(dāng)精確的數(shù)值（今值為8.7941角秒，相當(dāng)于1.49597870億千米）。到了20世紀(jì)，由于人們已經(jīng)有了更加精確的方法，利用金星凌日求太陽視差的方法就被徹底放棄了。

今日金星凌日觀測

金星凌日時(shí)的黑滴效應(yīng)

從以上金星凌日的周期可看出，任何一人，一生中最多只可看到兩次金星凌日，少的一次也看不到。今年6月6日的這一次金星凌日，實(shí)在是難得的天賜良機(jī)。在我國的大部分地區(qū)，只要天氣晴朗，都能看到凌日的全過程。我們是不是該抓住時(shí)機(jī)，一飽眼福呢？

若想用肉眼去直接看清凌日時(shí)的金星是極其困難的。下合時(shí)的金星，盡管角直徑最大，但也只有30角秒左右，人眼很難分辨，所以要準(zhǔn)備用望遠(yuǎn)鏡觀測。利用望遠(yuǎn)鏡觀測凌日現(xiàn)象時(shí)，一定要注意安全，保護(hù)眼睛不被強(qiáng)烈的陽光灼傷。為此，可以采用在望遠(yuǎn)鏡前端加裝合適的濾光鏡或?yàn)V光膜的方法，但使用前應(yīng)仔細(xì)檢查膜層是否完好，是否有小孔等瑕疵，或者采用投影的方法來觀測。無論采取什么樣的方法觀測，都不要長時(shí)間地凝視太陽，必須經(jīng)常讓眼睛休息片刻。

金星凌日過程與日全食類似，也分5個(gè)階段，即凌始外切、凌始內(nèi)切（入凌時(shí)的外切和內(nèi)切）、凌甚、凌終內(nèi)切、凌終外切（出凌時(shí)的內(nèi)切和外切）。金星在進(jìn)入太陽圓面之前，是看不到的，而凌終外切之后金星也依然看不到。觀測時(shí)，除了凌甚不能直接觀測到外，要準(zhǔn)確記錄金星圓面與太陽圓面4次相切的時(shí)刻，還應(yīng)關(guān)注并記錄金星在日面上運(yùn)行的路徑。為了精確測定這些相切的時(shí)刻，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高望遠(yuǎn)鏡的倍率，比如用100倍~150倍。事先要查找到預(yù)報(bào)中凌始外切點(diǎn)在日面上的方位角，調(diào)整望遠(yuǎn)鏡指向切點(diǎn)方向，開動(dòng)轉(zhuǎn)儀鐘，注視視場中太陽圓面上預(yù)報(bào)的切點(diǎn)位置，等待金星黑色圓面的出現(xiàn)。

金星在入凌和出凌時(shí)會(huì)遭遇“黑滴效應(yīng)”。當(dāng)金星邊緣與太陽邊緣即將相碰而尚未真正接觸，或金星邊緣與太陽邊緣剛剛分開實(shí)際已經(jīng)脫離的時(shí)候，觀測者會(huì)發(fā)現(xiàn)有間斷的陰影把兩個(gè)天體的邊緣連接在一起。我們可以做個(gè)簡便的小實(shí)驗(yàn)來體驗(yàn)這種效應(yīng)。請你對著亮光，將兩根手指逐漸靠攏，在它們靠得很近時(shí)，盡管你還沒有感覺到手指已經(jīng)接觸，但卻看到兩根手指之間的狹窄縫隙中已經(jīng)有陰影把它們連接了起來，就像是手指間有水滴一樣，這就是所謂的黑滴效應(yīng)。黑滴效應(yīng)是影響對入凌和出凌時(shí)的4次相切記時(shí)精度的重要因素。

在入凌和出凌階段，人們還會(huì)看到在金星視面的周邊環(huán)繞著一圈很細(xì)的光環(huán)，特別是此刻金星露在日面外的黑暗背景中的那部分圓邊，恰被包在該圈光環(huán)中，這些都直接證明金星上存在大氣層。光環(huán)是金星大氣層頂反射和散射陽光形成的。采用濾光鏡觀測與用投影方法觀測相比，可以更清楚地看到光環(huán)。觀測者觀測光環(huán)時(shí)，可以關(guān)注下列有趣現(xiàn)象，如光環(huán)大小的變化，亮度是否均勻，在太陽視面背景下能否看到它等等。

許多愛好者希望在凌日期間拍攝照片和錄像。拍攝凌日主要有三個(gè)項(xiàng)目：拍攝凌日特寫、凌日過程和黑滴現(xiàn)象。拍攝凌日特寫，望遠(yuǎn)鏡的焦比應(yīng)當(dāng)能允許同時(shí)拍下金星、黑子和太陽的部分邊緣。視場不必覆蓋整條凌日路線，但要捕捉金星與黑子擦身而過的過程。拍攝凌日過程，一般要經(jīng)歷數(shù)小時(shí)，所以事先必須規(guī)劃好，比如每隔10分鐘或15分鐘拍攝一張照片等。記錄整個(gè)凌日過程，把所拍的照片拼合起來，就可以得到一張金星凌日的路徑圖。如果能準(zhǔn)確捕捉四個(gè)相切時(shí)刻，就能拍下黑滴現(xiàn)象。拍攝黑滴現(xiàn)象時(shí)，使用網(wǎng)絡(luò)攝像頭最合適。在拍攝期間，應(yīng)該用擋光物遮蔽數(shù)碼相機(jī)或CCD及攝像頭，以防溫度上升過高而增大噪聲甚至損壞設(shè)備。

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