再过百年方再见——金星凌日

——201266日金星凌日及观测安全公益宣传

 

 

 

一、话说金星

1. 太阳系八大行星全景图片

金星是距太阳的第二颗行星(如图1),也是距离我们最近的行星。它是除月亮之外的夜空中最亮的天体。金星的天文符号是“♀”。它与地球在体积、质量、密度和重量上非常相似,有人称之为地球的“姊妹星”,可实际上金星与地球非常不同。金星上的一天相当于地球上的243天,而它的一年却只有225天。金星自转是自东向西的,所以在金星上看太阳是西升东落。金星大气是厚厚的二氧化碳,没有水。它的云层是由硫酸微滴组成的。金星地表大气压是地球上的九十多倍,浓厚的二氧化碳大气造成强烈的“温室效应”,太阳光能够透过大气将金星表面烤热,但地表向上辐射热量却受到大气的阻隔,热量无法得到释放,致使地表温度高达480多摄氏度,这样高的温度使得金属都会熔化。

2. 美国宇航局水手10号探测器1974年拍摄的金星照片,显示金星被浓厚的云层包围

由于金星被厚厚的大气包围着,地面望远镜一直难以看清其真面目(如图2),直到19895月,由“亚特兰蒂斯”号航天飞机载着装有先进的电视摄像雷达系统的“麦哲伦”号探测器升空,直到1991年人们才得以弄清金星的地形、地貌。探测表明,金星上没有高山峻岭,其表面70%以上区域是平原,20%以上的区域是低洼地,另外10%的区域是高原。金星上没有像月球表面一样的直径很小的环形山,这是因为比较小的陨星体在到达进行表面之前早已在浓密的金星大气中燃烧殆尽了。橙黄色乃至红褐色的天空,平均每15分钟一次的闪电,常年的高温高压使得金星上的岩石都暗暗发红(如图3)。

3. 麦哲伦探测器1991年拍摄的金星雷达照片

金星与水星一样位于地球绕太阳公转的轨道内,是地内行星,故金星有时候是东方晨星,有时候是西方昏星。《诗经·小雅·大东》有云:“东有启明,西有长庚”。我国古代称金星为“太白”,《石氏星经》曰:“太白者,大而能白,故曰太白”。在英语中,金星被称为“维纳斯”,是古罗马神话中代表美丽和爱情的女神。玛雅人则透过长期观测金星而制定出历法,而这套历法就是现在流传的关于2012年世界末日谣言的根源。1609年,伽利略首次观测金星时发现,金星原来跟月球一样有盈亏现象,才使得自古以来地球位于世界中心的说法解释不通了。

二、金星的空间探索

1961212日起,前苏联发射了“金星”号系列探测器,但前几个都没有成功。19708月发射的“金星”7号,同年12月首次在进行表面软着陆成功。从那时起一直到1983年,前苏联又陆续发射了9个“金星”号探测器,多次到达进行表面,对金星进行了多方面的考察。197512月在金星表面软着陆成功的“金星”9号探测器拍下了第一张金星地貌照片。198310月到达金星表面的“金星”15号和“金星”16号两个探测器拍下了更精密的金星地貌照片,它的分辨率达到1~2千米。

美国从1962年到1973年发射了10个“水手”号系列探测器,其中有3个是去拜访金星的,2个成功。还有一个对金星和水星进行了双星探测。19621214日发射的“水手”2号探测器在飞掠金星上空时,距离金星34000千米,拍下了金星的近距照片,还测定了金星大气的化学组成以及温度、压力等情况。1978年,美国又先后发射了两个“先锋金星”号探测器。这两个探测器中的第一个飞到了距离金星150千米的地方,第二个则在金星上着陆后又工作了1个多小时。19895月由“亚特兰蒂斯”号航天飞机送“麦哲伦”号探测器去拜访金星。“麦哲伦”号携带了一套先进的电视摄像雷达系统,它能透过金星厚厚的大气层对金星表面地貌进行探测,分辨率可达到200米。2005119日欧洲航空局的“金星快车”探测器发射升空,于2006411日进入环绕金星的椭圆轨道。57日,进入离金星更近的椭圆形轨道进行探测任务。

三、金星凌日是怎样发生的?

当太阳、金星、地球连成一直线时,从地球观察金星将运行至太阳前,届时可见金星的剪影在日面经过,这一天象就称为金星凌日。

金星凌日的发生原理与日食相似。由于金星和地球的绕太阳运行的轨道不在同一平面上,它们有3.4度的倾角。在大多数情况下,太阳、金星和地球排成一直线时(称为下合,如图4),金星不是在太阳上方通过,就是在太阳下方通过。因此,只有太阳、金星和地球三者处在同一平面上,而且太阳、金星和地球三者恰好排成一直线时,才会发生金星凌日。(如图5

 

                    4. 金星的运动                                                5. 金星及地球公转轨道示意图

金星凌日是非常罕见的天象,以两次相距8年的凌日事件为一组,每组相隔一百多年。因为金星的轨道与地球轨道夹3.395度角,发生金星凌日的地方一定是升交点或是降交点(大约是黄经77°和257°),到达这里的时候,日期大约是6月8日或12月9日,下一次再发生金星凌日时,地球与金星都要绕完整数圈,才有可能再发生凌日的现象。而金星与地球的会合周期是584天,也就是说,金星绕完2.6圈(恒星周期为224.7天),地球绕完1.6圈时(恒星周期365.2422天),两者才能再次会合。但是这样的会合与上次的轨道交点相去甚远,因为金星轨道是倾斜的,不会发生凌日现象。到了8年之后,金星围绕太阳刚好转13圈,地球围绕太阳刚好转8圈,才又回到上次轨道交点的地方,于是又发生了凌日现象。发生金星凌日大的周期循环周期则是105.5年及121.5年,也就是说8年、105.5年、8年、121.5年如此的循环。

公元1500-2500年间的金星凌日

1518526

1526523

1631127

1639124

176166

176963

1874129

1882126

200468

201266

21171211

2125128

2247611

225569

23601213

23681210

2490612

2498610

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图6. 2004年6月8日金星凌日过程回顾与模拟

图7. 2012年6月6日金星凌日运行过程示意图

 

四、历史上的金星凌日

有记载的人类历史上第一个用肉眼观察金星凌日的人是古代阿拉伯自然科学家兼哲学家法拉比(870~950年),他在一张羊皮纸上写到:“我看见了金星,它像太阳面庞上的一粒胎痣。”从他所处的时代来看,法拉比目睹的这次金星凌日发生在公元9101124日。

德国天文学家开普勒(1571~16300提出了行星 绕太阳运动的三大定律,他是历史上第一个预告金星凌日的人。他在1629年出版的《稀奇的1631年天象》一书中写到:1631127日将发生金星凌日。但开普勒本人在1630年病逝,无缘一睹金星凌日这一天象。

    世界上第一个用天文望远镜观察金星凌日的人是英国的天文学家霍罗克斯(1619~1641年)和克拉布特里。他俩在1639124日用望远镜观察到十七世纪最后一次“金星凌日”。(如图8

俄国科学家罗蒙诺索夫(1711~1765年,如图9)在观察176166日的金星凌日时,发现金星在进入太阳边缘的时候,阳光产生奇特现象,从而推断金星上面有大气存在。这是人类第一次发现其它行星上的大气。

         

                       图8. 英国天文学家霍罗克斯正通过望远镜观察1639年的金星凌日                 图9. 俄国科学家罗蒙诺索夫

GPS还没有出现之前,海上导航非常依赖于对太阳、月亮和恒星的观测。领航员首先要观测太阳、月亮所在的位置,然后与星图进行比较。然而,要得到较高的定位精度,就必须尽可能准确地知道地球到太阳的距离。

英国天文学家哈雷(1656年~1742年)在1678年提出,根据开普勒三定律之一:所有行星轨道半长径的三次方与公转周期平方的比值都相等。而通过观察,很容易知道地球绕日运行的公转周期T=265.2422日,金星绕日运行的公转周期T=224.7日。这样可以求得金星的轨道半长径与地球轨道半长径之比a/a之比约为0.7,这样,金星凌日时,在地球上两个不同地点同时测定金星穿过日面所用的时间,由此算出太阳的视差,就可以得到准确的日地距离(这就是天文上常用的三角视差法,如图10)。但是金星凌日十分罕见,以后的金星凌日必须要等到1761年和1769年才会发生。哈雷知道他此生将无缘参与此事,但是他希望后人按他给出的方法去测定地球到太阳的距离。



图10. 金星凌日时利用三角视差法测定日地距离的原理图

1761年和1769年的这两次金星凌日发生之前,许多天文学家便作了准备,并且派出了不少远征队到世界各地去。由1761年的金星凌日得到的结果从7.5角秒到10.5角秒都有,弥散度很大,所以天文学家们期待着1769年的金星凌日能得到更好的数值。

1768年到1771年,英国著名航海家库克(1728~1779年,如图11)首航来到南太平洋,测绘了新西兰和澳大利亚海岸。不过,他的另一项重要任务就是英国皇家学会委托他在南半球与北半球的天文学家同时进行金星凌日的观测(如图12)。176963日,这一天天气十分晴朗,库克在大溪地(太平洋中南部澳大利亚东面向风群岛中最大的岛屿,现为法国属地)观测了金星凌日的全过程。其他的天文学家在美洲的加利福尼亚、休斯顿和欧洲北部的挪威观测了这次天文事件。法国天文学家拉朗德(1732~1801年)集中了他们所有的结果,算出太阳距离地球1.33亿千米,这个结果比现代值1.496亿千米稍小。后来,法国天文学家潘格雷(1711~1796年)分析了当时的全部资料,于1775年算出了太阳视差相当接近于8.8角秒。现在看来这是一个相当精确的数值,可惜当时没有引起人们的注意。

        

                                 图11. 库克船长(油画,澳大利亚国家图书馆藏)         12. 库克船长手绘的金星凌日图

德国天文学家恩克(1791~1865年)于19世纪初深入探讨了前人的太阳视差测量结果后,在1824年公布的结果是8.57角秒,地球距离太阳1.53亿千米。这个数值在19世纪上半叶被天文学界公认。1865年,美国天文学家纽康(1835~1909年)将当时可用的数据综合分析后,求得的数值是8.85角秒。

1874年与1882年又先后发生了两次金星凌日,许多天文学家作了大量准备工作,希望由观测求得更好的数值。可是由于观测上的困难产生了严重的误差。天文学家由前一次观测求得的太阳视差值在8.76角秒到8.91角秒之间,由后一次求得的数值在8.80角秒到8.85角秒之间。纽康重新综合前两世纪的4次金星凌日数据,于1895年又重新得出了一个太阳视差的结果:8.797角秒。这是一个相当精确的数值(今值为8.7941角秒,相当于1.49597870亿千米)。

GPS的应用普及之前,太阳和恒星是重要的导航参照物,就是在今天,恒星仍然是GPS这种卫星导航方式的重要背景坐标,因为,恒星总是最稳定和最守时的。到了二十世纪,由于科学技术的发展,有了其它的技术和方法,利用金星凌日求太阳视差从而测量日地距离的方法就不再使用了。

“凌日”这个现象,不仅仅在太阳系发生,在太阳系外的其他恒星系统也一样存在。虽然,现在我们不用再依赖金星凌日来计算地球与太阳间的距离,但其背后的科学仍一直应用于天文研究上,在寻找太阳系以外的行星系统时,“凌日”就大派用场了。如2010413日由欧洲南方天文台望远镜与广角行星搜索计划共同发现的系外行星,就是利用系外行星处于“凌日”状态才发现的。下图显示的每张图像中的恒星大小都是太阳直径的三倍。

13. 欧洲南方天文台望远镜与广角行星搜索计划共同发现的系外行星

五、2012年6月6日的金星凌日

金星凌日的过程是怎样的,今年的金星凌日范围包括哪些地区?

本次金星凌日在亚洲东部、大洋洲东部、北美洲西北部、北冰洋、太平洋西部等地区可看到凌日全过程。亚洲西部、欧洲大部、非洲东部、大洋洲西部、印度洋大部可以看到凌始。南美北部、北美南部、太平洋东部、大西洋西北部可看到凌终。南美东部、非洲西部、大西洋大部、南极洲大部则看不到金星凌日(如图14)。

在水星、金星、火星、木星和土星五大行星中,金星的视直径最大达64角秒,而人眼的分辩率是60角秒,故金星在视觉上是一个小圆面,33个金星排在一起等于太阳的直径。在金星凌日过程中,有四个重要的时刻,它们是:凌始外切凌始内切凌甚凌终内切凌终外切

凌始外切:图中位置,金星圆面与太阳圆面相外切,凌日开始;

凌始内切:图中位置,金星圆面完全进入日面一瞬间,与日面内切;

凌甚:金星圆面在日面上离日心位置最近点,图中“金星”文字所在位置;

凌终内切:图中位置,金星圆面再次与日面内切;

凌终外切:图中位置,金星完全脱离日面。

 


14. 201265-6日全球可见金星凌日区域图

15. 201266日常州地区金星凌日过程简图

  天气晴朗的话,本次整个凌日过程一直可以观测到。凌日过程从66日早上611分左右开始,1248分左右结束(如图15),常州地区的凌始外切时刻为61104秒,凌始内切为62845秒, 931分左右达到凌甚,1231分左右凌终内切,1248分左右凌终外切。

六、怎样观测金星凌日

  金星凌日这一天象奇观是百年难得一见,既要珍惜此生仅有的一次观测机会,也要进行科学的观测准备工作。金星凌日实际上就是金星从日面上经过的过程,观测它就如同直接观测太阳一样,特别需要注意安全。

1、肉眼观测金星测日

由于视网膜上没有痛觉神经,当视网膜受到强烈的太阳光的照射而损伤时是不会有疼痛的感觉的,因此观测者必须使用适当的减光装置来保护眼睛才能避免强烈阳光的伤害。

有的媒体上说,将玻璃片用墨汁涂黑或用烟熏黑,或者过度曝光的X光片、曝光的底片并将其对折成两层或多层,或者电脑软盘内的黑色软片,或者偏光镜、太阳镜等可用来观看太阳。些方法或许能在视觉上减弱日光,然而,大量的红外线和紫外线和部分可见光依然可以透过这些物体而对人的眼镜造成伤害。

正确的观测方法是采用“日食观赏镜”(如图16 。由于专业的“日食观赏镜”采用双层或多层铝膜覆盖的聚酯塑料高密复合膜,不同于一般镀膜,并经过各种波长光线的透过率检测,可以有效降低太阳辐射光对人眼的伤害。

   

                    16. 用专业的“日食观赏镜”观看金星凌日                       图17. 双筒望远镜前面要加上巴德膜观看金星凌日

2、望远镜观测金星凌日

金星尽管有视面,但仍比较小,借助望远镜才能更好地欣赏凌日奇观。使用双筒望远镜观看日偏食时,同样要在望远镜物镜前加上减光膜——巴德膜(如图17)。观测金星凌日的天文望远镜不需要很大口径,6厘米—10厘米均可。建议采用投影法观测,即将望远镜指向太阳,通过镜头将太阳投影到投影板上直接观察投影板上成的像。最好在望远镜前加装合适的太阳滤光镜,切勿使用装在目镜前或后的小滤光片进行目视观测。

   

                                18. 金星凌日的投影观测法                             19. 望远镜、照相机、摄像机前要加上巴德膜

3、天文爱好者的科学观测

①金星凌日过程描迹

用投影放大法观测时可使用标准的太阳黑子描迹图进行正规的目视描迹观测,由于凌日过程较长,因此要精确调整好赤道仪的极轴,以保证跟踪的准确性。

②确定金星圆面太阳视面相切的时刻

为了精确确定金星与太阳视面相切时刻,应使用适当的高倍率,如100倍以上。利用望远镜投影法观测过程中,先调整好日面,并记录预报的凌始外切在日面上的位置角,等待金星黑色圆面的出现。凌始外切凌始内切凌终内切凌终外切四个点的准确记录可用于精确确定太阳的直径。从外切到内切,或由内切到切约需19分钟时间。

③观测金星凌日中的特有现象

黑滴现象 当凌始内切和凌终内切时,即太阳边缘和内行星边缘,互相靠得很近将要接触时,会发现有非常细的丝将两个边缘连接,它的形状好像一滴黑色泪水,这就是金星凌日时的“黑滴”现象(如图20)。这是由于大气的视宁度、光的衍射以及望远镜的分辨极限等多种作用造成的视轮边缘的模糊。

   

                           图20. 200468日凌终内切时黒滴现象                        图21. 入凌时金星视面边缘的光环

光环现象 在入凌和出凌阶段,有时金星视面边缘会镶上一丝极细的“光环”或“晕环”(如图21),它是于金星大气层顶部反射、散射阳光形成的,用目镜投影法可以看到它。如果在望远镜前加滤光片,则可看得更为清晰。

七、有趣的小故事——最不幸的天文学家勒让提(Legentil

1761年的金星凌日,只有在亚洲才能看到,法国的天文学家勒让提,提前一年乘船去印度准备观测,辗转到达时,正值英法战争,英军不准法国人靠岸,痛失观测良机。但他痴心不改,留居印度的庞迪契里苦心等待8年,决心再次观测金星凌日。岂料天公不作美,临观测前10多分钟,突然电闪雷鸣,风雨交加,待雨过天晴,金星已走出了日面。他想到有生之年再也没有机会看到金星凌日了(因为必须再等105.5年),身心憔悴,竟病倒异乡。痊愈后便收拾行李回法国,途中又经历两次船难,两年后才回到巴黎。到家之后,因为多年来与亲人失去联络,大家以为他已经死在印度,所以继承了他的财产,而且他的科学院院士的职位早已被除名。勒让提伤心极了,向法院提出诉讼,打了几年官司,结果,败诉。财产没追回来,还花去了一大笔诉讼费。幸亏后来得到一位善良女性的敬重与同情,才算有晚年的慰藉与补偿。后来通过写两本与印度民俗风情相关的书,重新进入主流社会,成为当地知名人士,又活了20多年才去世。

八、精彩金星凌日图片欣赏:


22. 200468日金星凌日及黒滴现象

        
23. 200468日金星凌日                               图24. 200468日金星凌日

 
25. 200468日金星凌日和飞机                   26. 200468日金星凌日和飞机

 
27. 200468日金星凌日和飞机                    图28. 200468日金星凌日和飞鸟

    
29. 200468日科学家手指凌日金星                      30. 金星掩太阳黑子

    浩瀚的宇宙,天体美轮美奂,时刻在上演着精彩大戏。年度大戏“金星凌日”即将登场,届时让我们一起领略、分享这难得一见的天文奇观。