上一期我們介紹了關于月食的一些基礎科學知識（【備戰(zhàn)月全食科普系列#1】關于月食，你不可不知的那些事），我們談到在最精彩的月全食的全食階段，由于地球大氣層對日光的散射折射，月球會呈現(xiàn)出美麗迷人的“紅月亮”奇觀。

除了盡情的用自己的肉眼觀測欣賞外，天文愛好者們還使用相機甚至手機拍攝各類絕美的月食照片、制作“葫蘆串”像及延時視頻。關于觀測與拍攝月食天象的方法技巧，請見以下《天文愛好者》雜志及《Sky & Telescope》雜志文章詳細介紹（如 月食攝影全攻略 ， https://skyandtelescope.org/observing/celestial-objects-to-watch/observing-and-photographing-lunar-eclipses/ ），本科普系列不再贅述。

但與此同時，不滿足于“淺嘗輒止”的你，也許可以嘗試一些可利用月食觀測開展的科學實驗小項目，尤其適合教師/家長帶領學生/孩子一起實施，只需要好奇心與探索精神、細致認真的觀察記錄、比較晴朗的夜空和一些簡單的設備。

1、“紅月亮”顏色深淺程度的觀測分級

仔細觀察，你會發(fā)現(xiàn)在不同日期甚至同一日期不同觀測地點所見月全食時出現(xiàn)的“紅月亮”，其偏紅顏色的深淺亮暗程度也是不同的。早在1860年，愛爾蘭的業(yè)余愛好者瑪麗·沃德曾將月亮比作天空中“一枚赤熱（red-hot）的便士”；但在1963年著名的黑暗月食中，月食黯淡無光，一些觀測者在全食將近過半時，走到戶外都沒發(fā)現(xiàn)月亮！

法國天文學家安德烈·丹戎（André Danjon）設計了一種沿用至今的五級標度（也稱丹戎標度，Danjon scale），以助于對照來自不同觀測者，甚至是不同年份或者不同文化背景的月食報告。如下所示，丹戎標度將月全食時“紅月亮”的顏色分級劃為0（食甚時幾乎看不到月亮）至4（極其明亮的紅銅色或橙色月亮）。

具體劃分標準如下：

丹戎標度L值 描述

L0 非常暗的月食，月亮幾乎看不見，尤其在食甚時。

L1 暗月食，呈灰色或棕色；細節(jié)較難辨別。

L2 深紅色或鐵銹色月食，本影中部很暗而外圍較亮。

L3 磚紅色月食，通常有亮或黃的本影邊緣。

L4 非常亮的紅銅色或橙色月食，具有非常亮的藍色本影邊緣。

上圖：使用五級的丹戎標度（L值）來判斷月全食期間月亮的顏色暗度（圖源：Leah Tiscione / 天空與望遠鏡（Sky & Telescope））

這種顏色及亮度的變化與日光所透過的地球大氣層中的氣體分子與懸浮顆粒物成分與含量多少有密切關系。當?shù)厍虻纳蠈哟髿庾钔该鞯臅r候，就會出現(xiàn)明亮和多彩的月食；而當?shù)厍蛏习l(fā)生火山噴發(fā)等現(xiàn)象后，其會將塵埃和氣溶膠注入平流層，從而導致月食變深變暗?？傊厍虼髿庵械脑茖?、塵埃、火山灰、光化學液滴甚至有機物質等都會對“紅月亮”的“成色”產生影響，因此較為定量的對月全食的顏色與亮度進行度量，將有助于我們通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)了解地球上層大氣的狀態(tài)。

上圖：2003年5月與11月的兩次月全食“紅月亮”照片，其丹戎標度級別分別為L2（左）和L4（右）。（圖源：Tom Ruen）

2、月食亮度的定量測量

我們還可以較為定量的監(jiān)測月食期間的月球亮度變化，并比較兩次相繼月食的亮度差異。例如，巴西天文學家Helio C.Vital等就發(fā)現(xiàn)，在地球大氣層幾乎沒有氣溶膠的情況下，發(fā)生的月全食會相當明亮。而在有重大火山噴發(fā)事件后的幾年內，發(fā)生的月食通常要暗得多。如在2006年10月巴布亞新幾內亞拉包爾火山（Mount Rabaul）噴發(fā)后，人們甚至發(fā)現(xiàn)了一些暗色化的現(xiàn)象。

上圖：2003年11月月全食期間的亮度變化監(jiān)測（注意縱坐標為亮度星等負值，橫坐標為距離食甚的時間） （圖源：Helio C. Vital）

那么，該如何較為定量的估計月食亮度呢？天文學家與高階天文愛好者目視獲得天體亮度的方法通常是通過觀察待測目標與天空亮度已知（或可查得）的行星或亮恒星，對比其亮度差異估算。但月球很大（視角徑約半度）、而星星太小幾乎就是個點源，并不容易直接比對。

但方法總比困難多，我們可嘗試使用以下方式：如果你戴著厚厚的眼鏡，可以試著把它摘下來，當看到的的月球與明亮的行星或恒星均變?yōu)榇笮∠嗤陌唿c后，即可通過比對獲得月球亮度（相當于人眼虛焦）。還有一種更好的方法，這種方法是使用雙筒望遠鏡非目鏡的一端來觀察月球（即反向從物鏡端觀察），并將由此觀測到的亮度與未經(jīng)光學輔助看到的各種明亮星星進行比較。在月球穿過地球本影的過程中，每隔一段時間做一次這樣的觀測記錄。

上圖：利用人眼虛焦（左）與雙筒鏡反向觀測（右）方法定量測量月食亮度（逺才老師拍攝制作）。

3、地球本影大小的粗略估計與測量 對于月食發(fā)生時地球本影的大小，我們可如下簡單計算（亦見下圖示意）：

太陽直徑約為地球的109倍，而日地距離（平均~1.5億公里）約為地月距離（平均~38萬4千公里）的400倍，這樣，根據(jù)簡單的相似三角形計算，我們可非常近似的估計在月球軌道處的地影直徑約為地球直徑的 (1-(109-1)/400) ≈ 0.73 倍，而月球直徑約為地球的3/11，所以地影直徑大小約為月球直徑的~2.7倍。

上圖：估算地影大小示意圖（逺才老師編輯制作）

當然這只是一個太過簡化的估計，因為日地、月地距離每次月食時都會些許變化，因此即便是簡單的幾何估計對于某次月食來說也需要進行實際測量來獲得真正的本影大小數(shù)據(jù)。

對于地影相對于月球大小的實際測量，可以通過對程度稍大的月偏食階段拍攝測量粗略實現(xiàn)，如下圖所示。對月偏食階段的照片，在地球本影投射在月面上的輪廓線上任意找三個點（圖中ABC），相鄰點連線（圖中紅實線）后分別做此兩個線段的中垂線（圖中黃虛線），則此兩條中垂線的交點即為地影中心，以此作圓即可測出地影相對月球的大小。

上圖：通過月偏食實際測量地影相對大小示意圖（逺才老師編輯制作）

4、環(huán)形山計時：精確測量地球本影 早期的航海家即使身處異鄉(xiāng)，也可通過天象計時來確定其所處的地理位置。如通過對某已知位置的恒星通過觀測地最高處（中天）時間的測量，或對某特殊天象（如月食）發(fā)生的時間測量，都可以用來推算觀測位置的地理經(jīng)度。1504年，克里斯托弗· 哥倫布就采取了上述辦法，在第四次去新大陸時記錄了月食開始和結束的時間，來確定自己的位置。

然而，當天文學家試圖改進這種方法時，他們很快發(fā)現(xiàn)，被稱作本影的地球影子的黑暗中心實際上比地球本身的純幾何投影大了約2%！這是因為大氣層增加了地球的有效直徑，從而使本影增大，而本影的邊緣往往也模糊不清。月球邊緣穿越地球陰影的時間常常是不易準確測定的，而對單片深色區(qū)域和環(huán)形山（隕擊坑）進入與離開陰影邊緣的計時（稱為環(huán)形山計時，crater timing）則反而更加準確。

利用環(huán)形山計時法測量地影擴大示意圖（圖源：Cooper, T. P. & Geyser, M.）

要想在月食時嘗試進行上述環(huán)形山計時測量，需要使用一臺60~200mm口徑的小型天文望遠鏡，并通過網(wǎng)絡校時使拍攝相機或記錄時鐘的計時精度好于0.1分鐘（~5秒鐘），記下本影邊緣穿過（進入與離開）各標記環(huán)形山中心或其他特征物的時間。由于陰影邊緣有點模糊，所以嘗試判斷邊緣中光線最快暗下來的部分，并以此作為時間依據(jù)。

下表給出了由《天空與望遠鏡》（Sky & Telescope）雜志提供的可供在11月8日月食時選擇觀測的月面標記環(huán)形山或其他特征（如月溪等），及預測的地影進入或離開其的參考時間（均為世界時UT，+8h即為北京時間），而下圖則標記了這些環(huán)形山或特征在月面的大致位置，可供觀測參考。如果你進行了精確測量，可考慮將測量結果通過電子郵件發(fā)給：[email protected] 以供其收集數(shù)據(jù)進行分析。

上表：可供11月8日月食環(huán)形山計時測量用的標記環(huán)形山與其他特征，及預測的地影進入與離開其的參考時間（均為世界時UT，+8h即為北京時間）（表源：《天空與望遠鏡》（Sky & Telescope），翻譯：山東天文翻譯小組/山東天文學會）

上圖：月食環(huán)形山計時測量用的標記環(huán)形山與其他特征在月面的分布位置圖。（圖源：《天空與望遠鏡》（Sky & Telescope），翻譯：山東天文翻譯小組/山東天文學會）

之前的大量主要由業(yè)余天文愛好者進行的月食環(huán)形山計時聯(lián)測發(fā)現(xiàn)，每次不同的月食時的地影大小和形狀也都會發(fā)生微小改變，而導致其變化的根源應與地球大氣性質變化及其他一些因素都有關聯(lián)。
關于環(huán)形山計時的原理與方法的詳細介紹描述可參見《天空與望遠鏡》（Sky & Telescope）雜志相關文章（如天之文譯文：“測量地球的影子”）和以下文章介紹：Herald, D. & Sinnott, R. W. “Analysis of lunar crater timings, 1842-2011”(2014, JBAA, 124, 247: https://adsabs.harvard.edu/pdf/2014JBAA..124..247H ), Cooper, T. P. & Geyser, M. “Size and shape of the umbra during a lunar eclipse”(2004, MNSSA, 63, 12: https://adsabs.harvard.edu/pdf/2004MNSSA..63...12C )

本期參考資料

https://skyandtelescope.org/observing/useful-projects-for-a-lunar-eclipse/
https://skyandtelescope.org/observing/celestial-objects-to-watch/observing-and-photographing-lunar-eclipses/

下期預告

在下一期我們將詳細介紹即將于11月8日傍晚上演的精彩“月全食”，及伴隨其發(fā)生的“千年難遇”之“月掩天王星”天象的詳細具體信息，特別是在威海及山東省內的詳細見食與見掩情況和欣賞觀測提示等，干貨滿滿，敬請期待！

（出品：山東天文學會、山東天文翻譯小組，作者編輯：逺才老師）