月球为何有相位变化，日食和月食如何发生

科学摘要

Astronoo的文章介绍了食与月相的机制。文章解释说，这些现象源于太阳、地球和月球的对齐，称为朔望。只有当月球靠近交点线（月球轨道与黄道的交线）时才会发生食。文章详述了太阳和月球视大小的惊人巧合、恒星月与朔望月的差异、月球轨道面5.145°的倾角以及交点18.61年的岁差。文章还讨论了全食、偏食和环食的观测条件。

月球为何有相位变化，食如何发生？

本文专门讨论食和月相。月球为何日复一日向我们展示不同的面貌，太阳为何有时消失在它背后？答案在于支配太阳、地球和月球运动的天体力学。月球本身不发光：它反射太阳的光。我们看到的被照亮部分取决于这三个天体的相对位置。因此，月球在29.5天内经历八个主要相位，从新月到满月。食则发生在朔望时，即三个天体几乎成一直线时。但这种对齐并非每次朔望都完美，因为月球轨道相对于黄道倾斜约5.145°。因此，食只发生在轨道的交点附近。文章还探讨了使日全食成为可能的迷人巧合：太阳比月球大约400倍，但也远400倍，使它们的视大小几乎相同。最后，文章描述了这些现象的未来演变，月球每年远离地球4厘米。

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月食

什么是食？

食需要三个天体的对齐：太阳、地球和月球。

月食是地球阴影对月球的掩蔽，而日食是月球阴影对太阳的掩蔽。这些天体巧合经常被观测到，至少每6个月各发生一次（月食和日食）。

月相

月球以不同的相位出现在我们面前，即月球球体不同的照明方式。这是由于月球绕地球的旋转以及太阳、地球和月球不断运动的相对位置。由于月球只是反射太阳的光，月球唯一可见的部分是同时朝向地球和太阳的部分。

月周期中月球的八个相位
相位	周期日	照明度	可见部分（北半球）	月出（约）	最佳观测
新月	0	0 %	不可见（未照亮面朝向地球）	6时	不可观测（日食时除外）
娥眉月	2至6	1至49 %	右侧细月牙	9时	日落后不久，西边
上弦月	7	50 %	右半照亮	正午	傍晚，在南方中天
盈凸月	8至13	51至99 %	四分之三以上照亮（右侧）	15时	傍晚和夜间部分时间
满月	14至15	100 %	完全照亮的圆盘	18时	整夜（月食时除外）
亏凸月	16至21	99至51 %	四分之三以上照亮（左侧）	21时	下半夜和早晨
下弦月	22	50 %	左半照亮	午夜	夜末和早晨，在南方
残月	23至28	49至1 %	左侧细月牙	3时	日出前，东边

月球周期性与朔望

月相的周期性为29.5天，即一个朔望月或朔望月。不应将此持续时间与恒星月（27.32天）混淆，恒星月对应于月球相对于恒星回到相同位置，也不应与近点月（27.55天）混淆，近点月测量月球回到近地点。这三个周期不同，因为月球绕地球转动时地球沿轨道前进，且月球轨道本身是椭圆的并伴有岁差。

食发生在朔望时，即太阳、地球和月球几乎成一直线的时刻。区分两种配置：

新月，当月球位于太阳和地球之间时：照亮面朝向太阳，从地球可见的面处于阴影中；
满月，当地球位于太阳和月球之间时：月球可见面完全照亮。

因此日食发生在新月，月食发生在满月。然而，完美的对齐还不够：月球还必须足够靠近交点线，即其轨道面与黄道面的交线。在这些窗口之外，月球从太阳（新月时）或地球阴影（满月时）的上方或下方经过，不会发生食。

朔望并非必然发生食。由于月球每29.5天回到相对于太阳的相同位置，但交点线缓慢移动，食聚集在约34.5天的食季，间隔五到六个月。同一类型（日食或月食）的两次连续食之间，通常相隔一个朔望月，即约29.5天，这解释了为什么日食和月食常常相隔约十五天交替发生。

幸运的巧合使日食壮观

视大小的巧合

太阳直径（1,400,000公里）与月球直径（3,500公里）的比约为1/400；太阳距离（149,600,000公里）与月球距离（384,000公里）的比也约为1/400。由于太阳比月球大400倍且远400倍，它们在天空中的视大小几乎相同（约0.5°或约30角分）。实际上，月球的视大小在29.3'至33.5'之间变化，太阳的视大小在31.5'至32.5'之间变化。

后果与未来演变

这种时间巧合是某些文明神话解释的基础，因为月球有时完全遮蔽太阳。

今天，日全食激起人群的热情。一些爱好者被称为"食追逐者"，他们在世界各地追逐食。然而这种巧合将会消失，数亿年后将只有环食，因为月球每年远离地球4厘米。

月球公转周期

恒星周期

月球的恒星公转周期相对于恒星测量。这是月球从地球看相对于某颗恒星回到相同位置所需的时间。这个恒星公转周期为27.321582天，即约27天7小时43分钟。

作为比较，地球的恒星周期相对于恒星测量约为23小时56分，即0.99726968天。它比朔望周期（相对于太阳）短约4分钟，因为24小时内地球绕太阳轨道前进1/365，相当于约4分钟。

朔望周期

月球的朔望公转周期相对于太阳测量。这是月球从地球看相对于太阳回到相同位置所需的时间。这个周期为29.530589天，即约29天12小时44分钟。

它比恒星周期长，因为一个月内地球沿绕太阳轨道前进：因此月球需要约2天额外时间才能赶上相对于太阳的相同位置。

正是这29.5天的朔望周期为月相定节奏，并解释了为什么日食和月食以约15天的间隔相继发生。

黄道面与交点

月球轨道相对于黄道 — **月球轨道的倾角与交点线**：月球轨道面相对于黄道面（地球绕太阳的轨道面）倾斜5.1°。只有当月球穿过交点线，即这两个面的交线时，才可能发生食。
图片来源：astronoo.com（新窗口） - AI生成图像，公有领域。

月球轨道的倾角

虽然朔望公转周期为29.5天，但食并非每月发生。月球从太阳上方或下方经过，因为月球绕地球的轨道面和地球绕太阳的轨道面（黄道）不重合：它们形成约5.145°的角。

如果月球绕地球在与地球绕太阳相同的平面内运动，即黄道面上，那么每次满月都会发生月食，每次新月都会发生日食，每29.5天一次，各相隔15天。

实际上，三个天体的对齐只有当月球非常靠近黄道面时才可能发生。这就是为什么这个面以食命名。

月球轨道的交点

月球从黄道面上方经过的地方称为升交点。反之，月球从黄道面下方经过的地方称为降交点。

要目睹全食或偏食，月球必须位于交点线上：这是三个天体完美对齐的唯一位置。因此每年有四到六次食，至少两次日食和至少两次月食。

朔望与食季

总之，食发生在靠近交点线的朔望（三个天体的对齐）时。在交点经过前后，有一个35天的时期，在此期间可能发生食。在34.5天内，由于朔望月持续29.5天，可能观测到两次日食或两次月食。因此食间隔约一个月或五到六个月。

地月距离的影响

地月距离在363,104公里至405,696公里之间变化。朔望时月球离地球越远，食越偏。同一季节两次日全食（例如从一个夏天到下一个夏天）的间隔通常为12个朔望月，即354.4天（1年减11天）。因此，我们得以在2008年8月1日在蒙古、2009年7月22日在中国、2010年7月11日在波利尼西亚观测到日全食。

对齐条件

从地球看月球和太阳的视轨道面。如果月球绕地球在与地球绕太阳相同的平面内运动，即黄道面上，那么每次满月都会发生月食，每次新月都会发生日食，每29.5天一次，各相隔15天。

食的时期持续34.5天，因此在此期间有2或3次食。两次连续的日食或月食之间也有1.5或6个月。三个天体的对齐只有当月球非常靠近黄道面时才可能发生；这就是为什么这个面以食命名。

参考文献

FAQ：关于食和月相你需要知道的一切

什么是月食？

月食发生在地球位于太阳和月球之间，将其阴影投射到我们的卫星上时。月球穿过地球的阴影锥，使其部分或完全变暗。这种现象只能发生在满月，当太阳、地球和月球对齐时。