中秋佳節 用科學的目光賞月

來源:科技日報 編輯:劉瑞 發佈時間:2019-09-17 08:50:02

又到一年中秋佳節。自古以來人們就有中秋賞月的習俗,也流傳下來許多膾炙人口的賞月詩篇。每當農曆十五、十六之際,人們就會想起那句耳熟能詳的“人有悲歡離合,月有陰晴圓缺”。中秋賞月是因為那時月亮最大嗎?每個人觀測到的月亮大小一樣嗎?事實上,天行有常,這些人們在賞月時的疑問都有著科學的解答。

中秋節的月亮最大嗎?

這是一個最常見的“誤會”。我們知道,一年之中會出現12到13次滿月,中秋滿月只是其中之一,它的大小、亮度循月亮變化的一般規律,與其他月份相比並無特殊。只不過由於歷史文化的原因,人們對中秋的月亮寄託了更多的情感,但月亮還是那個月亮,並無任何不同。

月亮確實會有大有小,但這是因為月亮的視直徑與它到觀測者的距離有關。月球是在一個橢圓軌道上圍繞地球公轉的。月球距離地球最近可達363300千米,最遠可達405500千米。當月球位於近地點附近時,視直徑達到最大的33’26’’;而當月球運作到遠地點附近時,視直徑會減小到29’22’’左右。這種月地距離的變化導致月球視直徑的變化,與在遠地點相比,近地點月亮的視直徑要大上約14%,面積大了約30%,月亮大小差別自然明顯。所以當月亮位於公轉軌道的近地點時,它的確是最大的。如果此時恰逢滿月,我們就會見到經常見諸報端的“超級月亮”。

不同地區看到的月亮一樣大嗎?

地月距離會導致月球大小的不同,那在地球不同緯度觀測月球,會産生大小不同的觀感嗎?這其實是一種“蓬佐錯覺”。“蓬佐錯覺”是一種視錯覺(又稱“鐵軌錯覺”),最早由義大利心理學家馬利奧·蓬佐説明。

如上圖所示,圖中的兩條黃色線段,怎麼看都感覺上面那條更長,而其實二者完全一樣。原因有二:一是人們的日常直覺。如果遠近不同的兩個物體在視網膜上呈現出相同大小的像,我們會自然地判斷出距離遠的那個物體尺寸更大;二是,蓬佐錯覺圖中,兩條黃線大小相同、在視網膜上成像相等,但我們的大腦根據直線透視原理,會認為上面的黃線更遠,因此根據日常直覺,會判斷出它比下面的黃線更大。反饋的綜合結果就是,在我們看來,上面的黃線顯得又長又寬。

在觀測天空時,還有另一個心理現象:我們會很自然地認為天空像個倒扣的碗(天圓地方),並且地平線比頭頂距離更遠。所以我們會不自覺地認為地平線上的月亮要比頭頂的月亮更遠一些,由於它和頭頂的月亮在視網膜上成像相等,再加上“蓬佐錯覺”,我們就會很自然地認為地平線上的月亮更大。而恰恰相反的是,月亮越高反而越大。這是因為對於觀測者而言,月亮居於頭頂要比月亮在地平線近了差不多一個地球半徑。只是由此導致的月球視直徑的變化很小,人眼根本無法察覺。

“超級月亮”難得一見?

當月亮處於近地點時,又恰逢滿月,就是人們俗稱的“超級月亮”,此時確實是觀賞月亮的天賜良機。於是我們經常看到“××年來最大的‘超級月亮’”等之類的報道。不過在天文學家看來,其中大部分都是噱頭甚至“文字遊戲”。

根據月相的變化週期(稱為朔望月,平均長度為29.53059日),以及月球經過近地點的週期(稱為“近點月”,平均長度為27.55455日),可以看出“超級月亮”也是個週期性事件,而且週期並不算長,為413天左右(約等於15個近點月和14個朔望月)。也就是説,每14次滿月中,就會有一次“超級月亮”,並不是什麼稀罕事兒。

為什麼這種説法會在媒體上頻繁出現呢?原因在於月球的運動非常複雜,每次“超級月亮”的大小也有細微的差別,“超級月亮”似乎也沒錯,卻足以吸引大家的眼球。

以朔望月為例,它的長短由日、地、月三者的相對位置決定,並不是一個常數,而是在29.27日到29.83日之間變動。而月球繞地公轉的軌道也不是簡單的橢圓,不但近地點在移動、偏心率在0.026到0.077間變動,就是軌道面本身也在擺動。所以儘管每過大約413天會有一次滿月最接近近地點,但是這個滿月時刻也不可能和過近地點的時刻嚴格相符,每次都會有一定差別,因此我們每次看到的超級月亮也就有大有小。關鍵在於,天文學家已經算出,每次“超級月亮”的視直徑變化只在幾個角秒之內,變化幅度不超過0.3%,甚至遠小于在不同地點所見到的月亮大小的差別,我們肉眼根本無法察覺。

(作者係北京天文館研究員)