月球的运动

(图: 香港太空馆+香港大学物理系)

　　最佳的观察月球时候为弦月(Crescent Moon)或盈月(Gibbous Moon)时,那时月球会被分为两部份,一边为光,一边为暗,分开两部份的为明暗界线(Terminator),在明暗界线附近的地型有影子,从影子的长度可知该地型的高度.由于月球的自转周期和公转周期一样,所以理论上我们只会永远见到月球的同一面,这叫做同步自转(synchronous rotation).

(图: LKL Astro-Group)

　　不过,事实上我们见到的月球足有59%,原因是:

　　月球绕地球的公转轨道是椭圆形,根据开普勒第二定律,当月球离地球远一点时,公转会稍慢,自转却不受影响,那即是说它公转慢过自转,月球会稍微转多一点点左面出来.当月球离地球近一点时,公转会稍快,那即是说公转快过自转,左面的部份还未全部出来,所以见到多一点点右面的部份.

　　月球公转的轨道面(白道面)和地球公转的的轨道面形成5度9分的交角,月球有时在黄道面之下,有时在黄道面以上,故导致月球显示出稍上或稍下的部份.

　　地球的自转令到我们看见月球东升西落,但月球本身一直逆时针公转,所以我们每晚皆会见到月球比上一天迟升五十分钟,月球经过27.322日又会回到最初的位置,这个月球绕地球公转一圈的周期为恒星月(Sidereal Month).

　　初一时,月球运行到太阳与地球之间,我们见不到它的受光面,此时为新月(New Moon),十五时,月球的受光面可以完全让我们看见,称为满月(Full Moon),假设今天见到满月,月球经过了27.322日又回到了原先的位置,可是我们不会见到满月,因为在月球绕地球公转时,地球也在绕太阳公转,地球已经在轨道上移了少许,不能再和月球成一直线形成满月,月球要再行多一点点的距离,它们方能排成直线,我们方能见到满月,所以要见到同一个月相(Phase)要较多一点的时间,这个月相周期为29.531日,称为朔望月(Synodic Month)(其实即是会合周期).（下图）

(图: LKL Astro-Group)

　　天文学上有一样东西叫蓝月(blue moon),蓝月并不是月球真的变成蓝色(这个情形只会在火山爆发时火山微粒散射了月球的光才发生,妳知道为什么吗?),只是有时一个月内看到两次满月(即有两个农历十五),我们就会把第二个满月叫做蓝月(一个月发生两次新月却没有特别名字).2000年没有蓝月的发生.下一次蓝月会发生在2001年11月30日,而事实上有时更会发生1年2个蓝月(如1999年,1月及3月均有蓝月发生).其实,经过了18.61年,盈亏周期会重合,),这循环叫做Metonic Cycle,又有人用19年乘4,更加准确,此循环叫卡利巴斯周期(Callippic Cycle).

　　当月球运行到太阳与地球之间(即初一),月球的影子会投射在地球上,产生一本影区(Umbra)地球上位于本影区的人会看见月球遮蔽了太阳,此乃日全蚀(Total Solar Eclipse),若该地方只有一部份踏入了本影区,一部份留在半影区(Penumbra)(半影区也是月影,不过没有这么暗)就会产生日偏蚀(Partial Solar Eclipse).太阳被完全遮盖,我们可见到太阳周围的日冕(Corona).太阳被全蚀的持续时间多数不会超过七分钟.由于月球公转的轨道是椭圆形的,月球有时会离地球远些,只要月球在离地球远一些的位置遮盖太阳,我们会见到月球面积较小,不足以完全遮盖整个太阳,太阳的外围不能被月球所遮盖,故产生日环蚀(Annular Eclipse/Ring Eclipse).

　　当地球运行到太阳与月球之间(即十五),地球会遮盖太阳到达月球的光,那时月球不能反射太阳光到地球,产生月蚀.但太阳的蓝光会在地球大气层散射,红光却可顺利折射到月球,所以我们不会见不到月球,我们见到的是一暗红色的月球.和日蚀不一样,地球的影是这么的大!看到甚么蚀要看月球跨过那一个影区,而不是妳位于那一个地方,一发生月全蚀就不会有地方只见到月偏蚀.月球扫过本影区,可见到月全蚀(Total Lunar Eclipse),月球部份扫过本影区,可见到月偏蚀(Partial Luanr Eclipse),月球只扫过半影区,我们不会见到蚀,只会见到月球变得较暗,这叫做半影月蚀(Penumbral Lunar Eclipse).

　　月环蚀不会发生,因为无论月球离地球的距离是最长抑或最短,地球的影也可完全覆盖月球.而半影日蚀也不会发生,因为太阳是这么光,又怎会因为一个小小的月球而令我们觉得太阳变暗呢!

　　大家会认为每逢新月就应有日蚀,而每逢满月就有月蚀,可是基于白道面与黄道面交角五度九分,只有月球运行到升交点(Node Points)时,才会发生日月蚀,基本上,日蚀和月蚀都是隔六个月发生一次.由于月球也有岁差,月球自转轴的摆动导致升交点逐年后退,月球需十八年又十日完成一岁差,这周期称作沙罗周期(Saros).(我研究了Saros和Metonic Cycle的关系很久,得出的结论是它们没有关系,或者找个有识之士告诉我吧~^_^~!)

　　月球运动对地球最大的影响是潮汐(Tides),这又是一个很复杂的问题,也困扰了我很久,我会慢慢解释,月球有引力(又说一次,有质量的物体就有引力!),它会吸引地球过去,假设地球为E,地球表面的水份是W,月球M在左面

E

W
W
N M_____WWEEEEEEEEWW_____S
W
W

W

　　靠近月球的水,受到较多的引力,向月球方向行3格,地球受到中等的力,向前行2格,月球后面的水,离月球最远,受的引力最小,向前行1格.

E

W
W
N M__WW_EEEEEEEE_WW______ S
W
W

W

　　大家见到在E与W之间,是不是有两个空位?这当然是没有理由,故在东面及西面的水就会被扯过去填补,出现下图:

E

W
N M__WWWEEEEEEEEWWW______ S
W

W

　　于是地球形成了两个涨潮(Tidal Bulge),两个退潮,当地球完成一自转,任何地方皆会感受到两次潮涨及潮退.

(图: 香港太空馆+香港大学物理系)

　　由于地球逆时针自转,于是有一股趋势连海水也会自转,故真正的潮汐位是:

E

W
N M___WWWEEEEEEEEW^WW______ S
W

W

　　有时太阳和月球成一直线,于是引力比平时更大,形成大潮(spring tides),而有时,太阳和月球的位置形成直角,于是太阳引力抵消了部份月球形力,潮汐涨得比平时少,珍成小潮(neap tides).

　　总结一句:潮汐是因为地球不同部份受到的月球引力不同所引起的.地球的引力比月球大,所以对月球的影响更甚,月球当然没有潮汐,引力只造成月球的公转和自转同步进行,我们只见到月球的同一面,其实潮汐力(tidal force)也是因为感受到不同引力而形成.

　　由于地球表面凹凸不平,潮汐移动时,会有潮汐摩擦力(tidal friction),这种摩擦力减慢了地球的自转,于是每一年的时间都长了少许,于是有闰秒(leap second)的出现.地球减慢的一个后果导致月球远离我们.在解释之前,我要先介绍一个物理重要概念:角动量守衡(Conservation of Angular Momentum).

　　甚么是动量(momentum)呢?设想一架货柜车和单车分别以同一速度冲过来,那一个容易弄停?当然是单车(单车冲过来挡得住,货柜车就死梗)!另一情形,两架单车,以乌龟的速度和一支箭的速度冲过来,那一个容易弄停?当然是乌龟速度!越容易弄停,动量当然越小,所以得出一定律:

　　可是,现在有一旋转的物体,它的动量是怎样计算呢?

　　旋转物体的动量,我们叫角动量(Angular Momentum),原来动量和角动量都是守衡的,即若没有外力影响,L是永远不变的,我们可以看看溜冰运动员转圈,当它的手一直收回身边时,即 r减小时,它的自转速度会越快,即 v增加,所以 L没有增加或减少过.

　　地月系统要考虑的角动量有三,地球的自转,月球的自转及月球的公转,月球由于自转(v)小,质量(m)又小,故月球自转所造成的角动量可不理.现在我们知道了地球自转因潮汐摩擦力而减慢,要令整个角动量系统守衡,r必须增加(为什么不增加m?m也可随意增加的吗?),所以月球正因潮汐摩擦力而远离我们.

来源：网络
整理：空间天文网