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你是否曾好奇,为什么太阳从东方升起,月亮从东方升起,星星也从东方升起,但日食却似乎总是从西方来临?比如即将在2024年4月发生的北美日食,或是2027年8月的北非日食。然而,并非所有的全日食都是从西方来的——靠近北极和南极的一些日食在转向东方之前,实际上会先向西移动一点,这真是太奇怪了。
如果日食是由太阳和月亮引起的,为什么它们的行为不像太阳和月亮那样呢?解答这个问题的关键在于,太阳和月亮在天空中的路径取决于物体的旋转速度,而日食的路径则取决于月亮在地球表面上的直线速度。
从北极观察,地球和月亮都按逆时针方向旋转——也就是说,向东方。月亮在天空中的路径由地球表面到月亮的视线决定,因为地球的旋转速度比月亮的轨道速度快,所以视线(和月亮)在月出时指向东方,随着地球的旋转,月亮似乎从头顶经过,最后在西方落下(尽管月亮整个过程中都是向东方移动的)。
然而,日食的路径并不是由我们到月亮的方向决定的,而是由月亮的阴影在地球表面上的位置决定的,月亮的阴影指向太阳的反方向。月亮以每小时2000多英里的速度绕地球向东移动,其阴影的速度基本上也是每小时2000多英里向东移动。
地球表面也在向东移动,但速度慢得多——赤道上的表面每小时仅移动1000英里,接近两极时速度更慢。月亮的阴影轻松超越了地球表面的向东运动,这意味着日食似乎从西方移动到东方。
换句话说,地球的表面积大约为8000英里,所以月亮(及其阴影)穿越地球大约需要3个半小时(在两极附近的时间更短),而地球上的任何一点需要12小时才能穿越地球——也就是说,地球需要半天时间才能旋转半圈。月亮绕地球旋转的速度比地球自转慢,但移动速度却更快,这有点奇怪;但月亮有很长的路程要走:在其一个月的轨道上,月亮需要走近150万英里,这相当于每小时2000英里。
实际上,如果地球的体积是现在的两倍,或者月亮距离我们的一半(轨道周长减半),那么月或日的时间不会改变(月亮升起的方向也不会改变),但地球表面与月亮的相对线性速度会改变,日食可能会从东方移动到西方。
事实上,如果地球和月亮的大小调整到月亮在正午时比地球表面慢,但在其他时间比地球表面快,那么日食甚至可能先向东移动,然后向西,再向东——几何学真是太奇怪了!说到奇怪,那些在极地附近向西移动的日食之所以发生,是因为地球的旋转轴是倾斜的,所以月亮的阴影可能向东移动,但击中地球的“夜间”一侧。
总的来说,尽管月亮绕地球向东“较慢”旋转,因为一个月比一天长,但月亮也绕地球向东“较快”移动,因为月亮的直线速度实际上比地球表面快——这就是决定日食方向的因素。现在,如果你打开Google Earth,画一些代表日食路径的从西向东的箭头,从另一个视角观察,你会发现日食路径看起来更加奇怪,有些甚至“反向”移动!而在Google Earth中,如果你在春季和秋季倾斜地球并画一些水平线,你可以大致理解日食路径为什么会呈现曲线形状(尽管实际的日食路径更复杂,因为地球也在同时旋转)。
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