日食的原理
日全食原理图
日食是太阳圆面被月球遮掩的现象。根据交食的情况，可分为日全食、日偏食和日环食。
日食必定发生在“朔日”（即农历初一）。地球和月亮都是不发光的球体，它们在太阳的照射下，在背向太阳的一面必然发生黑影。当月亮运行到太阳和月球之间时，如果太阳、月亮和地球正好位于或接近同一直线，这样便发生了日食。
日食的过程
一次日全食的过程可以包括以下五个时期：初亏、食既、食甚、生光、复圆。
初亏 在日全食前，通过科学仪器，可以看到太阳的整个脸。这是一个看太阳黑子的好机会。黑子是太阳表面温度相对较低的区域，与其它光彩夺目的光球相比显得比较暗。由于月亮自西向东绕地球运转，所以日食总是在太阳圆面的西边缘开始的。当月亮的东边缘刚接触到太阳圆面的瞬间（即月面的东边缘与月面的西边缘相外切的时刻），称为初亏。初亏也就是日食过程开始的时刻。
食既 从初亏开始，就是偏食阶段了。月亮继续往东运行，太阳圆面被月亮遮掩的部分逐渐增大，阳光的强度与热度显著下降。当月面的东边缘与日面的东边缘相内切时，称为食既。此时整个太阳圆面被遮住，因此，食既也就是日全食开始的时刻。
在太阳将要被月亮完全挡住时，在日面的东边缘会突然出现一弧像钻石似的光芒，好像钻石戒指上引人注目的闪耀光芒，这就是钻石环。同时在瞬间形成为一串发光的亮点，像一串光辉夺目的珍珠高高地悬挂在漆黑的天空中，这种现象叫做珍珠食，英国天文学家倍利最早描述了这种现象，因此又称为倍利珠。这是由于月球表面有许多崎岖不平的山峰，当阳光照射到月球边缘时，就形成了倍利珠现象。倍利珠出现的时间很短，通常只有一二秒钟，紧接着太阳光就全部被遮盖住而发生日全食了。
日全食时，大地变得昏暗，兽惊归巢穴。这时天空中就会出现一番奇妙的景色：明亮的星星出来了，在原来太阳所在的位置上，只见暗黑的月轮，在它的周围呈现出一圈美丽的、淡红色的光辉，这就是太阳的色球层；在色球层的外面还弥漫着一片银白色或淡蓝色的光芒，这就是太阳外层的大气—日冕；在淡红色色球的某些地区，还可以看到一些向上喷发的像火焰似的云雾，这就是日珥。日珥是色球层上部气体猛烈运动所形成的气体“喷泉”。色球层、日饵、日冕都是太阳外层大气的组成部分，平时在一定的条件下也可以观测到，但在日全食时，这些现象可以看得特别清楚。
食甚 食既以后，月轮继续东移，当月轮中心和日面中心相距最近时，就达到食甚。对日偏食来说，食甚是太阳被月亮遮去最多的时刻。
生光 月亮继续往东移动，当月面的西边缘和日面的西边缘相内切的瞬间，称为生光，它是日全食结束的时刻。在生光将发生之前，钻石环、倍利珠的现象又会出现在太阳的西边缘，但也是很快就会消失。接着在太阳西边缘又射出一线刺眼的光芒，原来在日全食时可以看到的色球层、日珥、日冕等现象迅即隐没在阳光之中，星星也消失了，阳光重新普照大地。
复圆 生光之后，月面继续移离日面，太阳被遮蔽的部分逐渐减少，当月面的西边缘与日面的东边缘相切的刹那，称为复圆。这时太阳又呈现出圆盘形状，整个日全食过程就宣告结束了。
日偏食的过程和日全食过程大致相同，由于它只发生偏食，因此就只有初亏、食甚和复圆，而没有食既和生光这两个阶段。日环食则同样有初亏、食既、食甚、生光和复圆等阶段。
天文台对日全食或日环食进行预报时，往往要把这五个阶段的时间报告出来。人们根据这些报告就可以了解整个日食的过程，并进行观测。至于日偏食，天文台在预报时，当然就只给出初亏、食甚和复圆这三个时刻。
我们在日食的预报中，常常还可以看到“食分”这样一个词，它是用来表示日食的程度。对于日食而言，食分并不表示太阳圆面被遮俺的面积，而是表示日面直径的被遮部分与太阳直径的比值。以太阳的直径作为1，如果食分为0．5，这就表示太阳的直径被遮去了一半；如果食分为1，那就是太阳的整个圆面被遮住，那就是日全食。很显然，食分越大，日面被遮掩的程度就越大。日偏食的食分是小于1．0的，日全食的食分是1.0。
食带 月影扫过的地方。日食的时间长短，同月球影锥在地面上移动的速度以及地球的自转方向有关。以日全食来说，由于月球的视直径仅略大于太阳，同时月影在地面移动速度很快，因此日全食的时间是很短暂的。在全食带的某个地点所看到的日全食时间通常只有两三分钟，最多不超过7分钟。如果全食带经过赤道附近地区，日全食时间就可延续到7分40秒，这时是观测日全食的最好机会。
在发生日环食时，月亮总是位于远地点附近，这时月亮运行的速度较慢，因此日环食的时间比较长，如果日环食发生在赤道附近，那么在赤道附近观测日环食的时间可长达12分42秒。
就全球范围来说，如果把月亮半影开始遮掩日面的时间计算在内，日食时间的长度由初亏至复圆的整个过程可长达三个半小时。
日偏食的时候，由于月影范围大于其本影，食相经过的时间长短要视食分的大小而定，食分愈大，时间也就愈长。
由于月亮的影锥又细又长，所以当它落到地球表面时，所占的面积很小，至多不会超过地球总面积的万分之一，它的直径最大也只有二百六十多千米。当月球绕地球转动时，影锥就在地面上自西向东扫过一段比较长的地带，在月影扫过的地带，就都可以看见日食。所以这条带就叫做“日食带”。带内发生日全食的，就叫全食带；带内发生日环食的，就叫环食带。可以看到偏食的范围很广阔，已经不像一条带子，而是很大的一片地区。
全食带是一条宽度不过二三百千米，长约数千到10000千米的狭窄路径（有时全食带的宽度甚至只有几千米），只有在全食带扫过的地区才能看见日全食或日环食的发生。全食带的两旁是较广阔的半影扫过的地区，在这些地区内可见偏食。离全食带愈近的偏食区，所见偏食程度愈大；离带愈远，可见偏食程度愈小；半影区以外的地方是看不见日食的。
由于月球是由西向东运行，所以它的影子也是沿同一方向运行，因此各地看到日食的时间是不同的。当地面上的西部地区已经处在黑影区域内，这一地区的人已经看到日食时，东部地区的人却不能同时看到日食，得在月影向东移来后才能看到日食。所以，西部地区的人总是比东部地区的人先看到日食。
日食每年都有发生，但由于全食带是一条狭窄的影带，据估计，平均每200～300年，某一地区或城市才有机会被全食带扫过，所以，对住在一个城市的人来说，一生可能未看到过一次日全食。
日食的规律
1．日食和月食的“季节”
日、月食的发生必须是新月和满月出现在黄白交点的一定界限之内，这个界限就叫做“食限”。计算表明，对日食而言，如果新月在黄道和白道的交点附近18度左右的范围内，就可能发生日食；如果新月在黄道和白道的交点附近16度左右的范围内，则一定有日食发生。
对月食而言，如果望月在黄道和白点的交点附近12度左右的范围内，就可能发生月食；如果望月在黄道和白道的交点附近10度左右的范围内，则一定有月食发生。
由于黄道和白道的交点有两个，这两个交点相距180度，所以一年之中有两段时间可能发生日食和月食，这两段时间都称为“食季”，它们相距半年。
太阳每天在黄道上向东移动约1度，由于日食的食限为18度左右的范围，太阳从黄道和白道交点以西的18度运行到黄道和自道交点以东的18度，大约需要36天，也就是说日食的每一个食季为36天。对于月食而言，它的食限为12度左右，因此月食的每一个食季就只有24天。
2．一年之中有几次
日食的一个食季是36天，这个天数比一个朔望月的平均长度29.53还要长。因此在一个日食的食季内必定会发生一次日食，也可能发生两次日食。一年之中有两个日食食季，所以在一年之内至少有两次日食发生，也可能有四次日食发生（如果每个食季中都包含两个朔日的话）。
月食的一个食季为24天,这个天数比一个朔望月的平均大数29.53天还要短。因此在月食的一个食季内可能包含一个望月，也可能没有望月在内，也就是说，在这个食季内可能有一次月食发生，也可能连一次月食也不会发生。一年之中月食的食季也是有两个；”所以在一年之中，可能有两次月食发生，也可能连一次月食也不会发生。
一年之中，日、月食的次数最多时可以达到六次，即四次日食和两次月食。但是实际上有时候一年之中的日、月食次数可以多达七次，即五次日食和两次月食，或者是四次日食和三次月食。如1935年就曾发生过五次日食和两次月食，将来的2160年也会是这样；1917年和1982年就曾发生过四次日食和三次月食。那么，为什么一年之内的日、月食会多达七次呢？
这是由于在太阳的引力作用下，黄道和白道的交点会不断地沿着黄道从东向西移动，每年约移动20度，这个方向与太阳沿黄道运行的方向相反，因此太阳在黄道上连续两次通过同一交点所经历的时间间隔（这个间隔叫“食年”）比一年（365．2422天）要短，只有346．62天，要约少19天。这样就会产生两种情况：一种情况是一年365．2422天之内，包含了两个完整的食季和一个不完整的食季。比方说第一个食季开始1月初，那么经过346.62天一个食年之后，第三个食季就会在同一年的12月中旬开始，在这种情况下就可能发生五次日食和两次月食；另一种情况是一年365.2422天之内，包含了两个不完整的食季（一个在年头，一个在年尾）和一个完整的食季，在这种情况下就可能发生四次日食和三次月食。
综上所述，我们可以把一年中日、月食所可能发生的次数归纳如下：
一年中日、月食最少有两次，而且这两次都是日食；
一年中可能一次月食都不会发生（如1980年）；
一年中日、月食最多可以有七次：五次日食和两次月食（例如1935年），或者是四次日食和三次月食（例如1917年和1982年）。
一般说来，最常见的情况是一年中有四次日、月食：两次日食和两次月食。
上面这些情况只是对全地球来说的。至于对地球的某个地点而言，一年内能看到日、月食的机会就要少得多。
另外，从上面的数字来看，一年中日食发生的次数比月食发生的次数多，但实际上人们却往往看到月食的次数比看到日食的次数多。这是由于月食发生时，背着太阳的那半个地球上的人都可以看到；而在日食发生时，月亮的影锥只扫过地球上一个狭窄的地带，只有在这部分地区的人才能看到日食，尤其是日全食发生时，全食带的范围更小，宽度只不过二三百千米，因此只有很少的一部分人才能看到。平均起来，一个地方要二三百年才能看见一次日全食。因此有不少的人一生也没有看到日全食是不足为奇的。例如1961年3月2日夜里发生的月食，在我国、整个亚洲以及欧洲地区都可以看到。而1968年9月22日发生的日全食，在我国只有新疆的部分地区可以看到全食，在北京只能看到日偏食，而在上海，什么也看不到。
3．日食和月食的周期性
由于地球绕太阳和月亮绕地球的公转运动都有一定的规律，因此日食和月食的发生也具有其循环的周期性。
早在古代，巴比伦人根据对日食和月食的长期统计，发现了日食和月食的发生有一个223个朔望月的周期。这个223个朔望月的周期便被称为“沙罗周期”，“沙罗”就是重复的意思。
223个朔望月等于6585.3天（223×29.530588），即18年零11.3天，如果在这段时间内有5个闰年，那就是18年零10.3天。在这段时间内，太阳、月亮和黄白交点的相对位置在经常改变着，而经过一个沙罗周期之后，太阳、月亮和黄白交点差不多又回到原来相对的位置，因此便会出现同上一次情况相类似的日、月食，但见食的地点会有所变化，这里就不再细述了。
在我国汉代也发现日、月食具有一个135个朔望月的周期。135个朔望月等于3986.6天，约等于11年少31天，也就是说日、月食每过11年少31天重复发生一次。这个循环周期记载在汉代的“三统历”中，因此也称为“三统历周期”。
此外，人们还发现日、月食还有其他的循环周期。比如以358个朔望月为周期的纽康周期（合29年少20日），以235个朔望月为周期的米顿周期（合19年）等等，但这些周期都是非常粗略的，只能粗略地推算出日、月食发生的日期，并不能确定日、月食发生的准确时刻，食分的大小和见食的地区。准确的日、月食发生的时间以及交食情况，需要经过专门的严格推算，这已经是属于相当专门的历书天文学中“食论”的研究范围了。我国紫金山天文台就担负着日、月食预报的工作。
日食的周期
尽管日全食出现在各种媒体上的频率并不比某些明星的曝光率低，但对生活在某一固定地点的我们而言，要想一睹它的风采，无疑比见到那些明星困难得多，因为即便在全球范围内看，日全食每年最多也只上演一两次，而且那动人心魄的精彩“演出”总是转瞬即逝，短暂得令人扼腕。
不过，日全食虽然看上去似乎难以捉摸，但由于地球绕太阳和月亮绕地球的公转运动都有一定的规律，因此日食和月食的发生必然也具有规律性，日全食当然不会例外。早在5000多年前，我们的先辈就发现了日月食的某些规律。如果我们仔细查看本杂志附录中的日食表，就会发现日食的发生也是有周期的，其中最著名的就是“沙罗周期”。
沙罗周期
古代的巴比伦人根据对日食的长期观测，发现日食的发生有一个223个朔望月的周期。这个223个朔望月（相当于18年11.3日或18年10.3日（如果有5个闰年））的周期被称为“沙罗周期”，“沙罗”（Salo）一词在拉丁语里就是重复的意思。在这段时间内，太阳、月亮和黄白交点的相对位置在经常改变着，而经过一个沙罗周期之后，太阳、月亮、地球的相对位置又回复到和原来几乎相同的位置上，因此地球上就会看到和上次相类似的日、月食。注意，沙罗周期并不是指两次日食之间的平均时间间隔，而是发生两次“类似”的日食的时间间隔，例如2002年12月4日大西洋、非洲南部、印度洋、澳洲等部分地区发生了一次日全食，全食持续时间是2分3秒，一个沙罗周期后（2020年12月15日），太平洋、南美洲南部、大西洋等地的部分地区发生日全食，持续时间为2分9秒，与上次几乎相同。而从2002年12月至2020年12月这段时间内，还会发生11次日全食，但是它们与这两次不属于一个沙罗周期。平均而言，每个沙罗周期内发生大约71次日、月食，包括日食43次（全食、环食、全环食），月食28次。
沙罗周期之所以会存在，其根本原因是地球绕太阳、月亮绕地球的运动具有一定的规律性。在深入理解沙罗周期之前，让我们先来熟悉几个天文学上的基本概念。
黄道与白道我们知道，月亮在围绕地球运动（轨道是个椭圆），周期为一个月；地球同时又在围绕太阳运动（轨道也是个椭圆），周期为一年。天文学上把月亮的绕地球运动轨道面称为“白道”，把地球绕太阳运动的轨道面称为“黄道”。白道与黄道并不在同一个平面上，它们之间存在一个交角，平均为5°09′。我们站在地球上观测，总是以自己为中心，因此在我们看来，黄道也就是太阳一年内在天空中走过的轨迹，白道则是月亮一个月内在天空中走过的轨迹。以地球为天球的中心，黄道与白道其实就是天球上的两个大圆，它们有两个交点，称为“黄白交点”。只有当太阳、月亮都运行到黄白交点的附近时，才有可能发生遮挡，形成日食或月食。
望和朔“朔”就是月亮位于地球和太阳之间（不一定在同一条直线上）的时刻，通常发生于农历的十五；“望”就是地球位于太阳和月亮之间的时刻（不一定在同一条直线上），通常发生于农历的初一。
朔望月月相变化的周期，也就是从朔到朔或从望到望的时间，叫做朔望月。朔望月的长度并不是固定的，有时长达29天19小时多，有时仅为29天6小时多，它的平均长度为29.530588天。
交点月交点月是指月球在天球上连续两次经过同一黄白交点的时间间隔。其平均长度为27.21222日。它对于日月食周期推算有重要意义。
交点年太阳从一个黄白交点经过到回到这个交点所需的时间，称为交点年，其长度为346.62003天。由于黄白交点每月沿着黄道向西退行移约1.6°，所以交点年短于我们平时所说的公历年（即365天）。
现在，我们来看日食发生的条件：日食只可能在朔日发生，而且太阳、月亮必须差不多位于一条直线上，换句话说，发生日食时，太阳、月亮都必须位于黄白交点附近。如果某天发生了日食，那天必定是朔日（正月初一左右），并且太阳、月亮都位于黄白交点附近，例如2008年8月1日将发生日全食，那天正是农历初一，黄白交点在巨蟹座，而且太阳、月亮也在巨蟹座。
假设再过n天后，太阳、月亮又运行到了几乎与此完全相同的位置（即黄白交点、月亮、太阳又都回到巨蟹座），那么在地球上看来必将发生与此类似的日食。显然，这个n天应该是交点月、交点年、朔望月的长度的公倍数，经过计算可以发现223个朔望月的长度与242个交点月、19个交点年的长度几乎相等：
223个朔望月＝223×29.530588天＝6585.3211天
242个交点月＝242×27.21222天＝6585.3572天
19个交点年＝19×346.62003天＝6585.7806天
也就是说，n的最小值是6585.3211天左右，其实就是一个沙罗周期。这就是为什么会存在沙罗周期的缘由，现在我们不难理解为什么每经历一个沙罗周期，就会发生类似的日食（或月食）了，不过需要注意的是，这两次日食的见食地点并不相同：2008年8月1日的日全食（持续时间2分27秒）发生在加拿大、北冰洋、俄罗斯和中国西北部；2026年8月13日的全食（持续时间为2分18秒），见食地点变成了北冰洋、格陵兰、大西洋、欧洲极西部地区，这又是什么缘故呢？
沙罗周期后话
相隔一个沙罗周期的两次日食，不仅见食地点并不相同，而且日食类型也不一定一样。这有两方面的原因。
其一，223个朔望月（6585.3211天）和19个交点年（即食年，6585.7806天）的长度并不完全相等，而是相差了0.4605天。因此第二次日食发生时，太阳在黄道上的位置和第一次并不相同，0.4605的时间里它大约运动了28′（记得太阳在黄道上自西向东运动，每年运行一周），也就是说此时的太阳比第一次日食时偏西28′，结果导致月影扫在地球上的位置和第一次相比也有了变化，将向北或向南移动（取决于第一次日食发生在两个黄白交点的哪一点）。每经历一个沙罗周期，太阳就偏西27.2′，同时月影就向南或向北退行一些。直至太阳超出食限、月影离开地球，这个周期性的系列日食（称为一个沙罗食系）就结束了，之后即使再过一个沙罗周期也不会有类似的日食发生了。目前共有12个不同的沙罗食系同时进行着，2009年将在我国境内上演的全食时间大约为7.5分钟的日食，就属于其中一个食系，分别曾在1937、1955、1973、1991出现过。而2008年8月1日的日食，属于另一个不同的沙罗食系，曾在1954、1972、1990年出现过。当然它们的见食地点都已不同了。
其二，每过一个沙罗周期，日食的见食地点除了上述的南北移动之外，还有东西方向（即经度）的移动。这是因为一个沙罗周期的223个朔望月是6585.3211天，不是整数。举例来说，假设有一次甲地发生了日食，经过一个沙罗周期之后，将发生类似的日食，但是此时地球转动了6585.3211圈，这次的见食地点就不再是甲地，而是与它相距0.3211个地球周长而且位置偏西的乙地（因为地球自转方向是自西向东），易于算出乙地的经度要比甲地偏西120度左右。再过一个沙罗周期，见食地又将西移120度。所以甲地要想再次看到类似的日食（也就是这个沙罗食系内的日食），至少需在三个沙罗周期之后（54年34天）。但是由于月影在每个沙罗周期还有南北移动，三个沙罗周期后日食时的相对位置事实上不会返回甲地，必须经过300～400年左右，甲地才能再次看到日食。
需要指出的是，沙罗周期只是一个非常逼近于自然规律的经验周期，但在较长久的时间内，可能会出现与之不符的情况。例如有些沙罗食系中应是全食，但实际上却可能只发生偏食。从第一点也可以看出，每个沙罗食系都以一组见于极区的日偏食开始，以后食分逐渐增加，经历9～16个沙罗周期后变成中纬度地带的中心食，再经过42～48个周期后，过赤道向另一极区移动，食分减少，变为日偏食，又经历9～16个周期后，离开极区，这一食系宣告终结。一个食系的延续长度介于70～85个沙罗周期之间，即1244年至1514.5年之间。
在长期的日食预告上，人们常常采用“大沙罗周期”，这是一种6444个朔望月（190295.109）的周期。每个大沙罗周期的见食地点的纬度都很接近。例如1406年6月16日发生日全食，食带经过英国、比利时，到1927年6月29日，发生的全食再次经过英国、北欧。大沙罗周期还有一说是22325个朔望月（659270.38天，约1805年），这一周期使得太阳、月亮、地球的位置和视直径都极为接近，会在同一地点发生差不多完全相同的日食。
其他交食周期
除了沙罗周期，还有两种比较知名的周期。
默冬周期默冬周期以235个朔望月为一个周期，约合19个回归年，所以又名“默冬章”（古人以19年为1章）。235朔望月＝6939.6882天，19回归年＝6939.6018天，二者相差只有0.0864天。
纽康周期纽康周期以358个朔望月为周期（29年少20天）。358朔望月＝388.50011交点月，因此在一个黄白交点处发生日食后，经过358个朔望月后将在另一个黄白交点再次发生日食这是因为它们的差为0.50011个交点月，从而使得第二次日食的朔日正好发生于另一个黄白交点附近）。0.00011个交点月的时间差使第二次日食发生时，月亮相对于交点向东移动0.0411°，780个周期后，累计的移动等于两个（平均）日食限（约34°），整个食系就宣告结束。
三统周期我国是世界上较早发现日食周期的国家之一。西汉末年刘歆总结出一种周期，认为135个月中要发生23次日食，称为“三统周期”。大约从公元三世纪起我国就能预报日食初亏和复圆的方向，到了唐代，对于日食的预报已经比较准确了。
由于黄白交点每年向西退行约20°，一个交点年（也叫食年）只有346.2600日，比回归年短约19日。因此，可能出现下列两种情形：第一，一年中有两个完整的食季和一个不完整的食季。若第一个食季刚好在年初开始，除在年中遇到第三个食季外，在同年的十二月中旬，还可能迎来第三个食季。在这种情形下，这一年有可能发生五次日食。第二种情形是，一年中有一个完整的食季（年中）和二个不完整的食季（年初和年终）。在这种情形下，有可能发生四次日食。以前一种情形为例，假如第一个食季开始于1月1日，又恰恰是朔日并且发生日食。在以后的346日（一个食年）中，在最有利的情形下，两个食季有可能发生四次日食。第三个食季开始于12月12日前后，由于12个朔望月为354.36日，比食年约长8日，即要到12月20日前后，才能遇上第十三个朔日，方有可能发生额外的、也是这一年的最后一次日食。剩下的日期已不足半个朔望月，即使还能发生日食，也要等到第二年的一月上旬。这种一年5次日食的情形十分罕见，曾在1935年发生过，而下一次则要等到2206年了。
一生能见到多少次日全食
尽管一年内至少发生两次日食，在人的一生中（75年），地球上将会发生大约180次日食，其中中心食（日全食和日环食）大约有120次。但由于全食带非常狭窄，我们看到日食的机会其实是非常难得的。典型的日全食带长约9700千米、宽约160千米，所覆盖的地表面积约为155万平方千米，只占地球表面面积（51000万平方千米）的1/305，根据统计日全食大约平均1.5年才出现一次，因此如果我们总是待在一处而不做任何旅行，大概要等450年才能看到一次日全食！所以我们也不难理解，为什么会有那么多日食观测者每年都追随着全食奇观的步伐而四处奔波了。
2008年8月1日、2009年7月22日，我国境内连续出现两次日全食，2010年1月15日、2012年5月21日，又将出现两次日环食，如此高频率的中心食在我国历史上可谓几百年不遇，尤其是2009年7月的全食，无论见食地点还是全食持续时间都对我国观测者极为有利。在这里，衷心祝愿所有读者都能亲眼目睹日全食的壮丽丰姿。
（本文摘编自《天文爱好者》杂志增刊《日食大观）
发布日期：2009-07-21