天文奇觀「水星凌日」光顧地球

1631年11月7日，在多雲的巴黎，天文學家伽桑狄（ Pierre Gassend）注視著自己房間的地板。在多雲的天空中放射著燦爛光芒的太陽此刻正透過牆上的小孔，在地板上呈現出一個10英寸直徑的圖像。這位天文學家使用的觀測設備再簡單不過了，其原理和我們小時候玩的小孔成像一樣。突然，太陽明亮的圖像上出現了一個小黑點，緩慢的在圖像上移動。伽桑狄再三確認，終於證實了這就是他已經等待了5年的天文現象：水星凌日！天文學家開普勒在1627年對這種現象作出預言後，伽桑狄就一直在等待這一天的到來。終於，他成為了人類歷史上第一位水星凌日的觀測者。

2006年水星凌日組合圖。圖中的黑點為凌日過程中不同時間水星的位置。由NASA的SOHO飛船拍攝

水星凌日發生時，水星恰好處於地球和太陽中間，水星會遮擋住太陽的一部分。從地球上看去，一個黑點將在太陽表面緩緩移動。5月9日，這種有趣的天文現象將再次光顧地球。本次水星凌日開始於北京時間5月9日19點12分，結束於北京時間5月10日凌晨2點42分，持續七個多小時。除了澳大利亞、紐西蘭、印尼、菲利賓等國家，全世界大部分地區都能觀察到這一天文奇觀。遺憾的是，我國東部的北京-上海-廣州-海口一線在水星凌日發生時已經入夜。如果要親眼目睹這一天文奇觀，就需要跑到到新疆、西藏等西部地區了。

本次水星凌日全球不同區域的可見情況

水星凌日發生時，水星所產生的黑點的直徑僅為日面直徑的約1/190，因此，它不會像月食那樣，對地球接收到的太陽輻射能量產生明顯的影響。天空不會因為水星凌日的發生而變的昏沉。水星在日面上的黑點太小，用肉眼難以分辨。如果沒有專業的太陽望遠鏡，使用普通的雙筒望遠鏡和一張白紙也可以觀測水星凌日。調整望遠鏡的方向和位置，使它在地面上的陰影變的最小。這時，望遠鏡已大致朝向太陽。將一塊白色的紙板置於望遠鏡之後，調整紙板和望遠鏡的距離，直到獲得清晰的太陽投影圖像。當水星凌日開始後，投影的太陽圖像上將出現黑點。無論使用何種觀測方式，切記不要用眼睛直視太陽，也不要用沒有安裝濾光片的望遠鏡觀測太陽。人眼視網膜上沒有痛覺神經，如果在觀測時保護措施不得當，太陽光有可能在不知不覺間灼傷觀測者的眼睛，造成永久的視力損害甚至失明。目前，應用最廣的有效濾光設備是巴德膜製成的濾光片、濾光眼鏡等。墨鏡、膠片、軟盤等都不能保證觀測安全。如果沒有好的觀測儀器，利用網路直播也可以足不出戶的享受這場天文盛宴。（如深圳市天文台提供的視頻直播：http://www.szmb.gov.cn/article/twt/xwzx/kpdt/2016/05/06/572c401739ef8.html）

使用投影法觀測太陽和凌日

水星的公轉周期約為88天，而地球的公轉周期約為365天。如果把水星和地球比作田徑場上不同賽道的運動員，處於內道的水星奔跑一圈的時間要比處於外道的地球短。每隔115天左右，水星就能在賽道上和地球相遇一次。然而，水星凌日發生的頻率卻遠沒有這麼高。兩次水星凌日發生的時間，最短也要隔上三年左右。這時因為水星和地球的軌道並不處在同一平面上。只有兩顆行星同時處於它們公轉軌道的交線上時，水星凌日才會發生。由於這個特殊的限制，水星凌日總是發生在5月或11月，而不會發生在其他月份。5月時，水星處於遠日點，公轉速度較慢，凌日發生時能在地球和太陽間停留更長的時間。因此，發生在5月的凌日總比發生在11月的凌日持續時間長。下一次水星凌日出現在2019年11月11日，但那次水星凌日發生時，我們國家正處在光棍節的夜晚，無法看到太陽。水星凌日再次光臨我國上空，則要等到2032年11月13日。

歐洲南方天文台（ESO）製作的水星（Mercury）與地球（Earth）軌道示意圖。水星的軌道面有一部分在地球軌道面之上，另一部分在地球軌道面之下，水星凌日只能發生發生於兩顆行星都處在軌道交線上的時候。

水星凌日發生時，地面上的觀測者一般會觀察到「黑滴現象」的出現。當水星的黑點剛剛完全進入日面時，水星邊緣似乎一時無法和太陽「分離」，兩者間像是被一個黑色的「液滴」連接了起來。金星凌日時，同樣會發生這種現象。一開始，人們認為是水星或金星大氣造成了這種現象。後來，通過對比太空望遠鏡和地面望遠鏡的觀測，科學家們推斷地球大氣的湍流和太陽的「臨邊昏暗」現象才是造成這種現象的「真兇」。由於黑滴現象的存在，天文學家不能準確的得到水星凌日開始和結束的時間，給早期利用水星凌日測定日地距離的努力帶來了麻煩。

凌日發生時的黑滴現象

水星凌日不只是一種有趣的天文現象，還能為科學研究帶來機遇。通過精確測量水星凌日的持續時間，我們就能推斷出太陽的半徑。發射到太空中的太陽望遠鏡，觀測太陽時沒有地球大氣阻隔，不會受「黑滴現象」影響，能夠極大的提高這種測量的精度。太陽和日球層觀測台（SOHO）飛船上搭載的MDI望遠鏡記錄下了2003年和2006年兩次水星凌日的數據。結合已經精確測定了水星的軌道和公轉周期 ，巴西科學家在2012年發表的工作中將太陽半徑的確定為696,342公里，測量誤差僅為65公里。水星凌日發生時，水星表面的稀薄大氣層會吸收太陽光光譜中某些波長的光，同時也會再次發出一些波長的光。NASA的科學家計劃在本次水星凌日發生時，利用這種現象研究水星稀薄大氣層的密度。太陽動力學天文台（SDO）等太空太陽望遠鏡也能利用水星凌日來校準自己的儀器，提高未來觀測的精度。

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