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[破事水水] [2006.06.24] 〖天文生物探索部〗（天文组）金星凌日[多图,收集+整理]

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snoopy1992

最后的银色子弹

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发表于 2006-6-24 09:29:25 |只看该作者 |倒序浏览

金星凌日是当金星运行到太阳和地球之间时发生的一种罕见的天文现象。当金星凌日出现，从地球上可以看到金星像一个黑色圆盘从太阳表面划过。通常都是用小时来计算金星凌日的时间（2004年和2012年，持续大概6小时）。原理上类似于日食，虽然金星的直径有差不多月亮的4倍。我们从地球上看金星要小的多是因为她离地球更远一些。现代天文学之前，人们通过观察金星凌日，用视差来测量日地之间的距离。

金星凌日以两次凌日为一组，间隔8年，但是两组之间的间隔却有100多年。2004年之前的最后组金星凌日发生在1874年的12月和1882年12月。21世纪的首次金星凌日发生在2004年6月8日，这一组的另一次将要发生在2012年的6月。再下一次是2117年和2125年。
每种类型每隔243年出现一次，是因为地球上的243个恒星年（365.25636天）是88757.3天，金星上的395个恒星年（224.701天）是88756.9天。因此经过这个时间段后金星与地球差不多同时回到各自轨道上同一位置。
由于金星和地球环绕太阳的运行轨道不在同一个平面上，因此并不是每次金星下合日都会发生金星凌日现象。一般的说，地球在每年12月10日前后经过金星轨道的升交点，在每年6月8日前后经过金星轨道的降交点，因此，金星凌日只能发生在这两个日期前后。
最早关于金星凌日现象的记载来自阿拉伯自然科学家、哲学家法拉比。他在一张羊皮纸上写道：“我看见了金星，它像太阳面庞上的一粒胎痣。”如果这是真实的，那么，法拉比看到的是在910年11月24日发生的金星凌日。
17世纪，英国天文学家哈雷最早提出了观测方法。最早成功预报金星凌日的是德国天文学家开普勒。他成功预言了在1631年12月7日发生的金星凌日。1761年发生的金星凌日，被俄国天文学家罗蒙诺索夫发现了金星大气，这是人类第一次知道出地球以外有大气的行星。

金星凌日的发生机率
若要发生金星凌日现象，太阳、金星、地球三者要几乎在同一直在线，则此时金星与地球都必须位在升降交点附近（又称为节点），此时也是金星轨道位置的「内合」点。因此，虽然前面提到内合点为最不适合观察内行星的时机，不过，金星凌日的时候却是例外！

金星绕太阳公转一周224.7天（地球日，相当于7个月），地球绕太阳公转一周为365.25天（相当于12个月），两者的会合周期为583.9天（内合到下一次内合的时间，相当于19个月）。

如果金星公转轨道面与黄道面在同一平面上，则每当金星通过内合点时，地球上的人便可见到金星凌日，那么一年应该至少可以看到1～2次金星凌日的现象，水星凌日的次数就更多了。不过，与日月食原理相同，就是因金星公转轨道平面与黄道面有一小小的夹角，因此不是每次金星内合时都看得到凌日现象。

若要发生凌日，则金星与地球都必须位在节点附近，且与金星的离角必须小于太阳的视半径（约16角分）。假设在一个节点位置发生金星凌日之后，到达第二个节点的位置，金星需要3.5个月的时间，而地球则需要6个月，但此时日金地三者不在一直在线；待到下一次三者再位于节点联机时，需时2922天（此时地球已又再公转8圈，金星公转13圈，经过5次地金的会合周期）。所以同一组金星凌日事件通常相隔8年，且发生在相同月份，两次事件经过日面的轨迹几乎平行。

然而上述的2922天其实也是概略，事实上，金星抵达节点的时间会比地球早22小时，所以这8年一组的事件一过，下一次金星抵达节点时，地球还没抵达，因此地球上看不到金星凌日的现象。这样的状况约需过了100多年左右，才会再出现金星过内合同时过节点的金星凌日事件。因此，金星凌日通常是一组两次（称为「双凌（double transit）」），每次相隔8年；而每组相隔约100多年的状况。精确的循环周期，是8年—121.5年—8年—105.5年，所以，金星凌日的真实循环周期应是8+121.5+8+105.5=243年。

不过，由于地球与金星的轨道都会随时间变动，通常每一组金星凌日中第二次的位置，会比第一次偏南24角分（升交点，十二月凌）或偏北20角分（降交点，六月凌），因此如果第一次凌日的位置离日心只有8角分（480角秒），则第二次凌日的时间，金星的位置会超过日面视直径的16角分，此时便不会发生凌日，例如公元1388、1145、0902、0659、0416年等都没有发生金星凌日，此时就只有「单凌（single transit）」事件。（参考上图，取自Transit, p11）

此外，因金星的轨道平面会随时间缓慢的变动，因此虽然金星凌日的时间发生在升降交点这两个日子前后，不过每次发生凌日的日期都会比上一次延后。例如：5000多年前的金星凌日多半发生在5月21日与11月前后，到现在则是在6月7日与12月9日前后，而1500年后，凌日发生日期将延迟到6月21日与12月22日前后（恰在地球的夏至与冬至）。根据专家计算，公元前2000年至公元4000年之间，共会发生81次金星凌日，六月凌占了54.3％，其中单凌6次、双凌19对，而十二月凌则占了45.7％，其中单凌13次、双凌12对。

下表列出1601～2400年可能发生的金星凌日事件基本数据。2000BC～4000AD的金星凌日数据，可上网读取（Six Millennium Catalog of Venus Transits: 2000 BCE to 4000 CE.）。表中可见前一组的金星凌日发生在1876年12月9日与1882年12月6日；下一组的金星凌日则发生在2004年6月8日与2012年6月6日。截至目前为止，有历史纪录、透过望远镜做精细金星凌日观测的只有6次，分别是1631、1639、1761、1769、1874、1882。

如何观测金星凌日？

金星凌日的成因与日食相同，只是遮蔽太阳的金星看起来比较小，视直径约略是57.8个角秒，大概是太阳视直径的3﹪，若太阳像篮球这么大，则金星约像葡萄干大小，与大型黑子群相当，故「视力好」的人可以轻易地以肉眼看见日面上的金星黑影。因此，建议有兴趣的人可以利用下列方式来观察这难得一件的金星凌日现象。不过，要很郑重地提醒大家：太阳观测是件危险的工作，绝对不可在毫无任何保护装置之下，用肉眼直视太阳，因为可能会造成眼睛的永久损伤！

金星凌日的观测方法与观测日食的方式很接近，一样可以用投影或摄影等方式观察，不过最好能将影像放大，好分辨各个凌日现象及发生时间。

一般观赏或摄影：

用目视的方法观赏太阳之前，必须先确定：您拿来减光用的器材绝对是有效且安全的！这里所谓的减光器具，可以用身边随手可得的东西，例如二层曝光且冲洗过的「黑白底片」（别用彩色底片，效果不佳），或是一般CD唱片有银色薄膜的部分等；千万别以为一般的太阳眼镜也同样的效果，那只会使你的眼睛瞎得更快，而前人使用的以脸盆装水，看水中太阳倒影的方法也不可靠。

如果没有望远镜，可以利用一个纸盒，用针尖在纸盒上方钻一小孔，纸盒底端则铺一块白色的影纸板。观测时将小孔对准太阳，使太阳影像经由「针孔成像」原理投影在纸盒底端来观察。若能在小孔前方加片透镜来放大影像，效果会更好。这种观测方法每次观看时间最好不要超过一分钟。

现在市面上有贩卖太阳观测专用减光滤纸（Astro SolarTM filter），可买来裁切至适当大小，做成眼镜状以便配戴观赏。不过，这种滤纸可能单一一张的减光效果不够，在正式观看太阳前，最好事先将数张滤纸重迭，测试一下几张滤纸迭加起来的效果最好、最不伤眼睛。这种观测方法每次观看时间最好不要超过一分钟。（备注：可将4支以上天文馆立体剧场的立体眼镜依「正反正反」的顺序迭加起来，如上页照片，其减光效果拿来看凌日或日食都不错，不过每次观看时间最好还是不要超过一分钟。）

有望远镜者，也可以透过望远镜来投影。在望远镜后方摆放白色屏幕或白纸上，屏幕或白纸的位置绝不太接近望远镜的焦点，观测者也不可以太靠近屏幕或望远镜镜筒，以免因望远镜聚光而使屏幕或白纸烧起来，造成观测者严重灼伤；屏幕或白纸的位置最好离焦点一段距离，以太阳盘面直径放大到10公分以上的方式来观察金星凌日现象会比较明显而安全，观测者则最好站在望远镜侧边。

如果没有望远镜，又想有望远镜可观测太阳的人，不妨尝试用放大镜和一些简单的器具来自制简易的太阳观测用望远镜，效果还不错喔。

若要直接以肉眼透过望远镜来观看金星凌日现象，或是利用摄影设备拍摄金星凌日的过程，必须要将望远镜加装适当的减光设备才可以（最好装在物镜前方），用普通的太阳眼镜没用喔！如前所述的太阳观测减光滤纸，或是望远镜专用的太阳滤镜，才是所谓的「适当减光设备」。

若您自己没有望远镜与一些特殊设备，又想看看放大的效果，那么建议您可以亲自到天文馆来，透过天文馆的望远镜亲眼观看金星凌日的过程，或是透过天文馆的网站实时影像转播来观赏这个天文事件。

科学记录：金星凌日观测最重要的就是金星日面边缘恰好接触的初亏（T1，I）、食既（T2，II）或生光（T3，III）与复圆（T4，IV）等四个点的接触时间记录；本次台湾地区只能纪录到初亏、食既的接触时间，其中初亏（T1）的观测最困难，要特别注意。

观测时，最好能将影像局部放大，仔细观察各个接触点的精确时间。计时的精确度最好能达到1秒以下，否则误差过大，这个观测资料就没有科学分析的价值了。

投影观测计时，建议准备两支马表或定时器，两支均需事先校正，在您认为是初亏或食既的两个接触点，各按下其中一个马表或定时器，并将时间记录下来。另一种记录方式为录音方式，可以一边播放117报时系统及有滴答声的定时器，一边仔细观察，确认为初亏或食既时，自行发一短声，事后再来确认短声的时间并予以记录之。

为避免因人为疏失造成观测误差，建议大家尽量利用摄影观测，事前要先将相机或摄影机的时间调整校正，校时的误差也须达到1秒以下。如以一般机械式相机加一般感光度为100的底片拍摄，则建议光圈为f16，曝光时间则建议1/60～1/250秒，多测试几张不同的曝光值，以减少失败率。再次提醒大家：望远镜前方需有适当的减光保护装置，相机及摄影机才能直接接在望远镜后方进行摄影。

任何方式的观测记录结果，因需与国际观测数据比对，因此纪录后需将时间换算成国际标准时（UT）。台湾所在时区属东八区，也就是说国际标准时＝台湾中原标准时间-8小时。

计时观测还有一项非常重要的参数，就是观测地点的精确经纬度（精密度至少需到1角分，或2公里之内），可利用GPS测量。

最容易让观测结果出现误差的便是所谓的「黑滴现象（black drop effect）」。在食既（T2）与生光（T3）两个阶段时，金星黑影与日面边缘会如若即若离般，金星黑影甚至会变形成似水滴状（如右图，取自S&T, May 2004, p34）。天文学家认为黑滴现象应是地球大气扰动造成的。这种效应会使观察者犹豫T2与T3两个接触点的计时时间是否正确。

另外可能会造成观测误差的，是所谓的「光晕效应（halo effect）」，也就是金星位在太阳边缘，即将进入太阳盘面（初亏--食既）或即将脱离太阳盘面（生光--复圆）的过程时，会出现一圈光晕，如同「日环食」景象一般，这也会影响各接触点的正确时间判断。

最后，请将观测结果（以UT表示），连同观测地点经纬度、观测者姓名、观测方式等数据，以传真或email送至天文馆，我们将会帮大家把数据与国际交换。如有摄影影像或录像带，也请您拷贝一份寄至天文馆。

金星凌日的历史
1608年望远镜发明之后，天文学的进展非常快速，天文学家们得以观测到更精细的资料，对天体运动作更精密的推估计算。

刻卜勒1627年提出行星三大运动之后，他发现水星与金星可能会在1631