天文觀測(cè)之月球觀測(cè)指南

1、課題名稱：月球的觀測(cè)對(duì)天文愛(ài)好的中學(xué)生來(lái)說(shuō)，掌握月球的光學(xué)觀測(cè)，實(shí)為一技之本。月球觀測(cè)是進(jìn)行天文科普教育的最生動(dòng)、最真實(shí)的活動(dòng)。于月球的視面大，表面清晰可辨，可觀測(cè)的項(xiàng)目也多。1609年伽利略發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡后，首先把望遠(yuǎn)鏡指向了月球，因此獲得了驚人的發(fā)現(xiàn)。過(guò)去，許多月面觀測(cè)都是由素質(zhì)極高的天文愛(ài)好者來(lái)承擔(dān)的，其中不少人以此方面的成就躍居成為月面學(xué)家。第一節(jié)觀測(cè)項(xiàng)目只要稍加仔細(xì)地觀看，我們就可以發(fā)現(xiàn)月亮每天都在發(fā)生著變化，其中最引人注目的就是月相的變化了。如果你進(jìn)行更加深入觀測(cè)的話，就會(huì)發(fā)現(xiàn)平常看上去都是一樣的月亮，還有許多更有趣的變化。月球的運(yùn)動(dòng)月球每天都通過(guò)星空的哪個(gè)位置，一天當(dāng)中大約要移動(dòng)多

2、少度，月球公轉(zhuǎn)一周大約需要多少天，這些你都注意過(guò)嗎？新月出現(xiàn)時(shí)，連續(xù)觀測(cè)三五天，在每天相同時(shí)刻觀測(cè)星座中月球的位置如何，把它記錄到星圖上去，看看會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果。最好是連續(xù)觀測(cè)一個(gè)月，從新月開(kāi)始到滿月，再到下一個(gè)新月。如果遇到陰天或下雨天，少觀測(cè)了幾天也沒(méi)有關(guān)系。使用天文望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀測(cè)，可以詳細(xì)地研究月亮運(yùn)動(dòng)的情況。把月亮和月亮近處的星星的位置用圖記錄下來(lái)，堅(jiān)持連續(xù)這樣觀測(cè)2-3小時(shí)，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)月亮在以很快的速度移動(dòng)著。分析你的觀測(cè)記錄，你就不難得出這樣的結(jié)論：從新月到下一個(gè)新月，約為29.5天，這個(gè)周期叫做朔望月；月亮相對(duì)與恒星的移動(dòng)速度為每天13°多。除此之外，盡管你很盡力地去觀測(cè)了

3、，還是會(huì)有相當(dāng)多的月亮運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象是你所不能理解的，這就需要我們做更深入的觀測(cè)學(xué)習(xí)。月相的變化隨著月亮每天在星空中自西向東移動(dòng)一大段距離，它的形狀也在不斷地變化，這種現(xiàn)象就叫做月相變化。月球本身是不發(fā)光的，只能靠反射太陽(yáng)光才發(fā)亮。由于月球在繞地球轉(zhuǎn)的同時(shí)，又與地球一起繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)，所以月球相對(duì)于地球和太陽(yáng)的位置在不斷地變化著。因此，月球被太陽(yáng)照亮的一面就會(huì)有時(shí)向著地球，有時(shí)背著地球，有時(shí)部分向著地球，而且這部分有時(shí)大一些，有時(shí)小一些。月相變化就是這樣產(chǎn)生的。當(dāng)每月的農(nóng)歷初一時(shí)，我們看不見(jiàn)月亮，即新月，也叫“朔”。到農(nóng)歷初二、三，我們會(huì)看到一鉤彎月，這個(gè)月牙叫做娥眉月，當(dāng)初七、八時(shí)，我們就可以看到半個(gè)

4、月亮，也就是上弦月（凸邊向西）。農(nóng)歷十五、十六的月亮為滿月，也叫“望”。滿月過(guò)后，到農(nóng)歷的廿二、廿三，有只能看到半個(gè)月亮，即下弦月（凸邊向東）。再過(guò)一周，月亮又將回到朔的位置。如此往復(fù)，月月如此。關(guān)于月相，我們有一個(gè)概念叫月齡。所謂月齡，就是用日數(shù)來(lái)表示的，從新月時(shí)起算到各月相所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。例如，新月后3天12小時(shí)的月齡就是3.5，娥眉月的月齡是3，滿月的月齡為15等。只要知道了月齡，我們就能判斷月相及其出沒(méi)時(shí)刻和可見(jiàn)方向。使用雙筒望遠(yuǎn)鏡和天文望遠(yuǎn)鏡觀察月面時(shí)，一定要細(xì)心觀測(cè)那些月面有缺邊的月齡。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)觀測(cè)，我們就可以發(fā)現(xiàn)即使是相同的月齡，缺邊的位置也不盡相同。另外，長(zhǎng)時(shí)間地觀測(cè)月面

5、，并且對(duì)邊緣部分的目標(biāo)進(jìn)行仔細(xì)的記錄與比較，我們不難發(fā)現(xiàn)月面有一種所謂的秤動(dòng)現(xiàn)象。正是有了月球的秤動(dòng)，我們才能夠看到59的月球表面。月面覽勝我們用肉眼可以看到，在天空中月亮的視大小和太陽(yáng)差不多。月亮的直徑大小化成視場(chǎng)角約為0.5°。然而，最優(yōu)秀的眼睛也只可以看到月球表面狀態(tài)圖。在月面狀態(tài)圖中，肉眼看到的只是那些較暗的部分，被稱為月海。以往，人們總把看到的月面形狀比作兔子、船或者女人的面孔。你能確認(rèn)月面上的云海、濕海、雨海、汽海嗎？你能判斷出澄海、靜海、危海、酒海、豐富海嗎？你能否看到風(fēng)暴洋中的哥白尼環(huán)形山嗎？請(qǐng)用你的肉眼觀測(cè)力來(lái)挑戰(zhàn)一下吧！月面照片月面地圖天文望遠(yuǎn)鏡的魅力最讓人感興趣

6、的就是能看到月球的表面。用80倍的低倍率望遠(yuǎn)鏡，你很快就可以看到月球的全貌，而且是耀眼明亮的月球表面。另外，當(dāng)提高望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)能力到最大倍率時(shí)，你可以感受到因大氣層影響而產(chǎn)生巨大振動(dòng)的環(huán)形山的魅力。用天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)月亮?xí)r，你可以看到月面上的環(huán)形山，尤其是月亮缺邊附近的環(huán)形山顯得極其清清楚楚。這是由于在月亮缺邊附近，太陽(yáng)光是斜照的緣故。由于月面色彩變化不明顯，如果太陽(yáng)光從正面照射就不會(huì)有影子，月亮的凸凹不平就不容易被正確體驗(yàn)。就像對(duì)人的面部進(jìn)行攝影時(shí)，若把閃光從正面照射到面部，咼咼的鼻子也會(huì)被照成扁扁的。所以要觀測(cè)月面上的某個(gè)對(duì)象，最好將觀測(cè)點(diǎn)選擇在缺邊附近。例如，要觀測(cè)哥白尼環(huán)形山，就要選擇月

7、齡在8-10的缺邊月亮。為了更深入地觀測(cè)月面地形的全貌，應(yīng)該連續(xù)觀測(cè)哥哥月齡的月亮。觀測(cè)月亮就如同到月亮上去旅行一樣。另外，要記著：在滿月時(shí)，我們可以看見(jiàn)太陽(yáng)光全面照射下的環(huán)形山向四面八方發(fā)出的明亮的長(zhǎng)線條，那就是輻射紋。這些只能在滿月時(shí)才能看到。月食的觀測(cè)當(dāng)月球運(yùn)行到望的位置時(shí)，地球正好位于太陽(yáng)和月球之間，如果這三個(gè)星球恰巧或接近于一條直線上時(shí)，月球就會(huì)進(jìn)入地球的影錐之內(nèi)，此時(shí)地球背對(duì)著太陽(yáng)那一面的地區(qū)正是黑夜，那里的人們就可以看到月食的發(fā)生。月食是否一定發(fā)生在十五呢？是的，月食必定發(fā)生在望日，即農(nóng)歷的十五。那么，是否每月的十五都有月食發(fā)生呢？當(dāng)然不是，而且一年中發(fā)生月食的機(jī)會(huì)很少。這是因?yàn)?/p>

8、白道面與黃道面有5°9'的交角，不在同一平面內(nèi)的緣故。白道和黃道的兩個(gè)交點(diǎn)，我們稱之為黃白交點(diǎn)。如果在望時(shí)，月球不在黃白交點(diǎn)附近,月球就不會(huì)被地球的影子所遮掩，進(jìn)而就不會(huì)有月食發(fā)生。值得我們觀測(cè)的月食要數(shù)月全食和月偏食了。前者是月球完全進(jìn)入到地球影錐的本影部分而發(fā)生的月全食；后者是月球只有部分掠過(guò)地球的本影而發(fā)生的月偏食。至于月球只進(jìn)入地球影錐的半影區(qū)而發(fā)生的半影食，只是使月面少許暗了一些而已，觀測(cè)意義不大。月全食的時(shí)候，整個(gè)月面會(huì)變成紅銅色，但其明亮度則會(huì)有很大的區(qū)別。法國(guó)天文學(xué)家丹約翰給出了一個(gè)分5等級(jí)的目測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，如表7.1所示。由于地球大氣層的影響，地球影錐的周邊相當(dāng)模

9、糊，因此，咱們很難像日食表7.1丹約翰的月全食目測(cè)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)月全食時(shí)月面亮度的目測(cè)基準(zhǔn)0非常暗淡，幾乎看不見(jiàn)月球，尤其是食甚時(shí)完全看不見(jiàn)。1暗的月食，略有灰色或茶色，月面的細(xì)微部分不易辨認(rèn)。2月面呈暗紅色，略帶灰色或茶色，影子中心有些暗色斑點(diǎn)，外側(cè)相當(dāng)明亮。3磚色的明亮月食，影子中有明亮的灰色，有一段段的黃色帶。4銅色或帶紅的橙黃色，非常明亮，外側(cè)很亮，略有藍(lán)色。那樣把月食的初虧與復(fù)圓的時(shí)刻測(cè)得很準(zhǔn)確。所以，我們?cè)谑褂秒p筒望遠(yuǎn)鏡或天文望遠(yuǎn)鏡，觀測(cè)地球遮住月面的火山口或某種特別地形的時(shí)候，要以盡量高的精度加以記錄，便可以得到很好的效果。第二節(jié)觀測(cè)要求一、觀測(cè)儀器的選擇這里所說(shuō)的光學(xué)觀測(cè)，指的是通過(guò)

10、天文望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)。那么，用什么類型的天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)月球最理想呢?首先談?wù)剬?duì)光學(xué)系統(tǒng)的要求。因?yàn)樵虑驅(qū)儆谟醒由烀娴奶祗w，主要是觀測(cè)月面的細(xì)節(jié)，所以天文望遠(yuǎn)鏡的分辨本領(lǐng)要強(qiáng)才行。分辨本領(lǐng)和望遠(yuǎn)鏡的有效口徑有如下的關(guān)系：6=140/D,D為有效口徑，以毫米表示。若要分辨月面1角秒的細(xì)節(jié)，望遠(yuǎn)鏡的有效口徑最起碼得140毫米才行。當(dāng)然，這也絕不只是一味追求望遠(yuǎn)鏡的口徑大，聚光多，前提是要求望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)能消除色差、球差和彗差。一般來(lái)說(shuō)，較優(yōu)良的折射望遠(yuǎn)鏡的物鏡都是由兩塊透鏡組成，目的就是為了消除這三種誤差。同時(shí)，折射望遠(yuǎn)鏡的相對(duì)口徑通常在1/151/20。而反射望遠(yuǎn)鏡的相對(duì)口徑往往在1/3.51/5，比

11、折射望遠(yuǎn)鏡大。反射望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生的儀器散射光也比折射望遠(yuǎn)鏡大。因此，一般說(shuō)來(lái)，折射望遠(yuǎn)鏡比反射望遠(yuǎn)鏡更適合月球觀測(cè)。施米特一卡塞格林式和馬克蘇托夫一卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡也適宜觀測(cè)月球。誠(chéng)然，質(zhì)量好，并且視場(chǎng)較小的反射望遠(yuǎn)鏡也可以觀測(cè)月球。折射望遠(yuǎn)鏡物鏡口徑不要小于5厘米，反射望遠(yuǎn)鏡物鏡口徑不要小于10厘米。其次，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的要求，最好是有跟蹤的赤道裝置。只有這樣，才能進(jìn)行上述各項(xiàng)系統(tǒng)觀測(cè)。第三，對(duì)目鏡系統(tǒng)的要求是應(yīng)備有多種目鏡。目視觀測(cè)要定位繪圖，有十字絲裝置的目鏡較理想。如果有動(dòng)絲測(cè)微器就更好了。二、觀測(cè)地和天氣的選擇為了盡量獲得高清晰度的月面細(xì)節(jié)，最大限度地發(fā)揮天文望遠(yuǎn)鏡的本領(lǐng)，觀測(cè)地點(diǎn)和天氣狀況

12、的選擇是很關(guān)鍵的。1、觀測(cè)地點(diǎn)：望遠(yuǎn)鏡不要直接架在水泥地面上。尤其是夏季，水泥地面的氣流變化大。冬季也不要架在有雪水的地面上。觀測(cè)地要盡量減小外界的震動(dòng)和煙塵的污染。最理想的是望遠(yuǎn)鏡處在居高臨下，周圍或觀測(cè)方向上是草地、或水域、或泥土地的開(kāi)闊區(qū)域。2、天氣：一般說(shuō)來(lái)，雨雪過(guò)后的晴天，大氣的透明度極佳，然而，寧?kù)o度往往極差，這時(shí)拍下的月球照片，遠(yuǎn)不如目視清楚。這就要觀測(cè)者根據(jù)本地小氣候的規(guī)律，掌握觀測(cè)時(shí)機(jī)。三、觀測(cè)方法從前面所述觀測(cè)項(xiàng)目可以看出，我們主要觀測(cè)的是月面形態(tài)。為此，只介紹目視觀測(cè)。目視觀測(cè)目的就是認(rèn)識(shí)月面環(huán)境，了解特殊結(jié)構(gòu)，進(jìn)而繪制月面圖。什么樣的月相最適宜目視觀測(cè)呢?人們往往迷戀于

13、滿月的多姿，陶醉于它柔和的光輝。其實(shí)，這時(shí)通過(guò)天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)，它光強(qiáng)刺眼，細(xì)節(jié)完全不清，月相觀測(cè)最好的日子是弦月前后。這時(shí)月光撫媚，立體感很強(qiáng)，月面就像石膏藝術(shù)品一樣，呈現(xiàn)在觀測(cè)者面前。目視觀測(cè)要選用多大的放大倍率目鏡呢？選擇目鏡主要考慮兩點(diǎn)：其一，選擇適當(dāng)?shù)姆糯蟊堵?，而不是越大越好。我們知道，眼睛?duì)目鏡視場(chǎng)內(nèi)細(xì)節(jié)的分辨本領(lǐng)約為2角分。如果你要觀測(cè)月面1角秒的細(xì)節(jié)，必須把它放大到2角分以上才行。也就是要選用放大120倍以上的目鏡。從衍射理論看，只要能看清天體，望遠(yuǎn)鏡就算發(fā)揮了最大本領(lǐng)。要想再追求高倍率也無(wú)濟(jì)于事。而且，由于大氣抖動(dòng)，要想看清02角秒以下的細(xì)節(jié)，那是根本不可能的。觀測(cè)月球最好的放

14、大率為有效口徑的15-3倍的數(shù)值。顯然，望遠(yuǎn)鏡的有效口徑越小，選用的放大率也相應(yīng)的要低。其二，放大率越高，視場(chǎng)越小，視場(chǎng)越暗。一位月面學(xué)家說(shuō)得好：“對(duì)月球的觀測(cè)，清晰比大小更有價(jià)值?！币虼?，每次觀測(cè)前，根據(jù)觀測(cè)目的，選用幾種目鏡試一試，然后從中再定。如果要繪圖，首先應(yīng)定比例尺，畫(huà)出預(yù)定的月輪，繪出月面中央子午線和東西線。有條件的還要算出（或查出）月球的球面位置：月球自轉(zhuǎn)軸的方位角P,通過(guò)視面中央子午線的經(jīng)度L0，視面中心的緯度B0。繪制時(shí)，要從靠近月輪中心區(qū)的特征開(kāi)始。對(duì)一些重要細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用測(cè)微器測(cè)出位置和大小。目前天文學(xué)家已編制出幾種月面詳圖。天文愛(ài)好者們只有通過(guò)自己的觀測(cè)對(duì)月面的認(rèn)識(shí)才會(huì)

15、更深刻，更有意義。這里講了一般的情況，關(guān)鍵還得通過(guò)自己的實(shí)踐，多練習(xí)，多總結(jié)，逐步積累觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)，提高水平，不斷集聚成果。第三節(jié)觀測(cè)報(bào)告（實(shí)例）月球表面的特征一、用具與資料天文分冊(cè)中的月面圖、天文望遠(yuǎn)鏡。二、目的認(rèn)識(shí)月球表面的特征，諸如山脈、平原、環(huán)形山、峽谷等。用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)月面，并記住幾個(gè)比較大的構(gòu)造名稱。三、月面圖月球在繞地球公轉(zhuǎn)時(shí)，也在自轉(zhuǎn)著。但由于它的自轉(zhuǎn)周期恰好等于公轉(zhuǎn)周期，所以我們只能看到月球?qū)χ覀兊陌肭颍Q之為月球的正面。大約在十七世紀(jì)以后，人們就陸續(xù)地畫(huà)月面圖（見(jiàn)圖7.3），還采用了經(jīng)緯網(wǎng)的辦法來(lái)決定月面結(jié)構(gòu)物的位置。普通月面圖的中央經(jīng)緯度都是0°,在0°的

16、左右經(jīng)度線是從南極至北極的間隔為10°的經(jīng)線，右邊的經(jīng)線有負(fù)標(biāo)記；緯線同樣以10°為間隔，緯度以北半球?yàn)檎担习肭驗(yàn)樨?fù)值。圖7.3月球正面圖（引自天文分冊(cè)需要大家注意的是：月球的照片和自然界的月亮往往是上下顛倒的，即下為北，上為南。我們?cè)撊绾畏直婺?？這個(gè)不難，你只要記住月球的南極附近是環(huán)形山的密集區(qū)就夠了。天文分冊(cè)的月面圖是正面圖。最新的月面圖所表示的是左為東，右為西，跟老的月面圖有所區(qū)別。美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局（NASA）就使用了新的月面方位。四、用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)月面用口徑在6cm以上的望遠(yuǎn)鏡觀察月面，就可以分辨出月面上的許多結(jié)構(gòu)物，如山脈、高原、環(huán)形山及峽谷等。觀測(cè)月面

17、的細(xì)節(jié)應(yīng)在農(nóng)歷的初十之前及二十之后，避開(kāi)滿月。因?yàn)闈M月時(shí)，陽(yáng)光直照月面上的高山，很難見(jiàn)到山的影子。但是，如果是想觀測(cè)月面的輻射紋，則應(yīng)選擇滿月時(shí)。上弦與下弦附近，在我們看來(lái)，太陽(yáng)與月球的夾角成直角，陽(yáng)光斜照月面上的山，在山后面留下長(zhǎng)長(zhǎng)的黑影，所以這是測(cè)定月面上山峰高度的好時(shí)機(jī)。陽(yáng)光照射月球，在月面上有一條明暗界線。在界線的黑暗邊，靠近界線的地方，有時(shí)可見(jiàn)到一些明亮的光點(diǎn)，那就是高山的山峰。因?yàn)榇藭r(shí)陽(yáng)光還未照射到整座山，只照到山峰，所以在明暗界線的另一邊呈現(xiàn)出亮點(diǎn)。如果我們能知道月面上的太陽(yáng)咼度，就可以容易地算出這些亮點(diǎn)（山峰）的咼度。在巡視月面時(shí)，我們應(yīng)注意認(rèn)識(shí)幾條山脈，如亞平寧山脈、阿爾卑斯

18、山脈、高加索山脈、比利牛斯山脈等，還要認(rèn)識(shí)幾個(gè)著名的“海洋”，如危海、靜海、豐富海、澄海、雨海、風(fēng)暴洋等，還有幾個(gè)大的環(huán)形山，如第谷、哥白尼、開(kāi)普勒、托勒玫、阿爾芬斯、詹生、柏拉圖等，以及亞平寧山脈與阿爾卑斯山脈交界處的大峽谷阿爾卑斯峽谷，這個(gè)峽谷在農(nóng)歷初九至一的晚上去觀察，總是很容易見(jiàn)到的。在月面東南部有個(gè)云海,在云海的平原上有一條奇異的直壁，高有二百多米，全長(zhǎng)96千米，應(yīng)當(dāng)設(shè)法辨認(rèn)它。在滿月時(shí),我們?nèi)菀滓?jiàn)到從一些環(huán)形山輻射出去的白色線條，它們通過(guò)山脈、平原與溝谷。其中，以南極附近的第谷環(huán)形山最為明顯。第谷環(huán)形山有輻射紋12條，最長(zhǎng)的延伸至1800千米。據(jù)研究，具有輻射紋的環(huán)形山都是比較年輕的環(huán)形山。在哥白尼環(huán)形山與開(kāi)普勒環(huán)形山周圍也有輻射紋。作業(yè)：1.用望遠(yuǎn)鏡連續(xù)觀察月面，用素描法畫(huà)出月面的基本結(jié)構(gòu)。然后對(duì)照月面圖，寫(xiě)上各結(jié)構(gòu)的名稱。(這種觀測(cè)要有足夠的耐心，由于天氣的影響，完成一張粗略的月