夜空中的红宝石——月全食
本世纪持续时间最长的月全食将在北京时间7月28日凌晨发生。这次月全食将持续1小时43分钟，这可能是从现在开始到2123年之间持续时间最长的月食。而根据月食发生的时间，只有南美洲、非洲、中东和亚洲部分地区的民众才能看到，而最佳观测地则在东非、印度、中东和中国西部。
本世纪时间最长的月全食
月全食的形成条件
月食只在农历十五前后发生，如下图所示，地球的影子分为本影和半影两部分。本影是指完全没有太阳光直射的地方，而半影则只受到部分太阳直射的光线。当月球、地球、太阳处在一条直线上的时候，地球在中间，整个月球全部走进地球的本影里，此时月球表面变成暗红色，这就是月全食；而当月球部分进入地球本影时，则发生月偏食；如果月球只在半影区掠过，则发生半影月食，此时月面并无明显变化，只是亮度有所下降。
根据预报，本次月全食的初亏为28日2时24分，食既为3时30分，生光时刻为5时14分，复圆时刻为6时19分。其中，最精彩的全食阶段长达1小时44分。
这次月全食恰巧发生在月球处于远地点位置，与地球的距离较远，同时，太阳、地球、月球正好运行到一条直线上时，地球运转速度比较慢，其阴影遮挡月亮的时间比较长，这一系列因素，造就出了本世纪持续时间最长的月全食。
深红色的月面
你也许会好奇，为何月球完全进入地球影子时会呈现红色？这是因为波长比较短的蓝光经过大气层时会发生散射，而波长较长的红光因折射率较低，会被折射到地球本影区域，照射在月球表面，因此，此时的月面便会呈现“深红色”。
🔼2018年1月31日的月全食，拍摄于北京，多重曝光。
我国少数地区可见全过程
本次月全食带覆盖面积很广，非洲、欧洲、亚洲和大洋洲都可见。与１月３１日发生的那次我国大部地区可见全过程的月全食相比，本次月全食我国极少数地区可见全过程外，大部分地区只能看'带食月落’，但观测条件和精彩程度依然不错。
🔼南美洲、欧洲、非洲、亚洲和澳大利亚适宜观赏月全食，北美洲地区的人们则无缘观赏。我国大部地区的人们都可以看到此次月全食，西部地区的观测条件好于东部地区。西藏、新疆的最西部可以观测到完整的月全食，其余地区只能观赏到带食月落，越往东观测到月食的时间越短。
🔼本次月食的观测时间
如何观测？
月全食的观测不需要太多设备，肉眼观测即可。
如果有7倍以上的双筒望远镜或者天文望远镜，可以看到更清晰的细节，比如环形山和月海。观测地点尽量选择视野开阔、遮挡物少的地方。
🔼除了受地理位置影响外，天气成为能否观赏到月全食最重要的因素。据中国天气网的精细化预报，周六凌晨2点到6点，我国大部地区天气适宜观赏月全食。中东部大部地区为晴天，适宜观赏，仅山西、河南、湖北、山东、广东等部分地区为阴雨天气，无缘“血月”。西部地区能看到月食的时间长于东部地区，但天公不作美，西藏、四川、云南等地非阴即雨，难以目睹“血月”真容。新疆、青海、甘肃等地则以晴或多云天气为主，适宜观赏月全食。
月食时，月面的亮度和颜色可区分为以下5级：
0级：非常暗淡，几乎看不见；
1级：稍亮，呈黑黄色，细节难以区分；
2级：微亮，呈黑红色或棕黄色，中心有些暗斑，外侧相当明亮；
3级：呈砖红色，能看见月面细节，但很模糊；
4级：呈铜红色，非常明亮，外侧很亮，略有蓝色，可看到大的细节。
你还可以用类似下面的观测表记录本次月食的全过程，这会让观测过程更有意思，也更有意义。
月全食有什么用？
地球是球形
实际上，月食的过程就能证明地球是球形的。亚里士多德注意到月食总是发生在满月的时候，说明地球这时候处于月亮和太阳之间，因此月亮进入的黑暗区域其实就是地球投射在月亮上的影子（地球本影）。既然当月食发生的时候，无论地月日三者的相对位置怎么变化，地球投射在月面上的影子边缘总是呈圆弧状，那么地球一定是球形的。假如地球长得像张大饼，那么月食的时候就应该有可能看到椭圆弧。同样的，对日食的观测让亚里士多德得出了月亮也是球形的结论。
地球的尺寸
知道地球是球形的后，学者们自然就很想知道的它的周长是多少。希腊学者埃拉托斯特尼（Eratosthenes of Cyrene）是亚历山大图书馆的第三任馆长，他从书中得知每年的 6 月 21 日这天，太阳在正午能够直射入埃及阿斯旺的水井中（今天我们知道这是太阳在夏至能够直射北回归线，正午的光线和地面呈直角）。但是他在亚历山大却发现当天正午的光线总是以 7° 左右（ 7°12' ）的角度射进水井。
埃拉托斯特尼知道地球是球形的，还了解弧长和半径的关系：
其中 S 是亚历山大和阿斯旺之间的距离（可以雇佣一个商船队测量出来）， r 是半径， θ 是光线入射的角度。假如用 C 表示地球的周长，再代入公式1中的 r 值，则地球的周长就是
他将测得的数据代入这个公式，算出地球周长是 39,690 公里, 相比我们今天知道的数值（ 40,076 公里）仅有 2% 的误差。
实际上，公式中的几个数值在当时都很难测的精确。比如亚历山大和阿斯旺之间的距离 S 就只能依赖船队的测量，但航线并不是直线，亚历山大也并不在阿斯旺的正北方，另外只有精确地确定太阳在天顶的时刻，才能准确知道 θ 的值，这在当时也很难做到。因此在这样的条件下，误差却小得惊人，以至于不得不说可能有点运气的成分在内。不过即使用今天的眼光来看，这一方法依然是很经典的。
月亮的尺寸和地月距离
比埃拉托斯特尼年长 30 多岁的希腊学者阿里斯塔克斯曾通过月食来估算月亮大小。那时候的希腊人已经知道地月轨道面和日地轨道面之间有一个小夹角，因而并非每次地球处于月亮和太阳之间都会产生月食。又因为地球比月亮大，所以发生月食时，月亮可能从地球本影的上部、下部或者正中经过，因此每次月食持续的时间都不太一样。阿里斯塔克斯假设太阳距离地球非常远，远到地球在月亮轨道上的投影与地球一样大。
月亮在持续时间很长的月食中（从地球本影的正中间经过，如下图），从本影穿过的时间大约是 1 小时，是它从初亏到完全进入地球影子（食既）的时间（经历一个月球直径）的 1/2 。而月球大约每 30 天绕地球一圈，所以每小时它在星空中移动 0.5° ，恰好等于月球在天上的张角，也就是视直径。所以阿里斯塔克最初估计，月亮的直径为地球的 1/2。
但实际上，阿里斯塔克斯知道太阳与地球之间其没有远到那种地步，它们之间的光路其实应该如下图所示，很显然，地球本影在月亮轨道上的大小要小于地球的直径。所以他得到的其实是地球在月亮轨道上的本影直径，大小是月亮直径的 2 倍。据此他求解出地球本影的大小，从而得到更为准确的月亮直径。
我们不妨来看一下这个简单的计算过程。设 A 为地球本影落在月亮轨道上的弧度， B 是太阳角大小的一半。角大小（angular size）指的是从观察者角度看过去天体所包含的视场角度值，天文上用它来表示天体目视大小，这里用弧度表示。由于 A + B + C = π，而 E、 C、 D 同属一个三角形的三个角，所以 E + C + D = π，因此
因为这些弧度都比较小，所以能得到如下的近似表达式。这里 R 是半径， D 是距离；下标中的 e 为地球， m 为月亮， s 为太阳：
代入(3)：
因为在地球上看太阳和月亮几乎一样大（日食的时候，月亮正好遮住太阳），所以它们的角大小几乎相等，即：
代入上式的最后一项，可以得到：
整理后就是：
由于地月距离远小于地日距离，( Dem / Des) 约等于0。所以上式可以简化为：
这个公式告诉我们地球在月亮轨道上本影的半径，正好是地球的半径减去月亮的半径。
此前阿里斯塔克斯对月食的观察得到
因此
由此可得：
即地球直径是月亮直径的 3 倍，这个数据和今天所知的 3.5 倍有差别。这是因为初亏与食既间隔的时间大约为 1 小时，而从食既到复圆花费的时间是 2.5 小时左右。阿里斯塔克斯记录的（或者是他从巴比伦人记载的记录中查到的）时间比为 2 ，这种对月食各阶段时间观察的不准确就导致了最终的误差。
有了月球直径这个数据后，阿里斯塔克斯又用一个巧妙的方法估算了地月距离：他举起一个大拇指对着月亮，当拇指完全能够遮住月亮的时候，它和眼睛之间的距离与拇指尖宽度的比值大约为 110 ，根据相似形的原理，这个值等于地月之间距离与月亮直径的比值，由于已经知道月亮的直径，所以很容易求出地月之间的距离。
其实更为准确的计算地月距离的方法是利用视差。假设有两个人在纬度不同的地方记录月亮与背景星空的位置，通过测量月亮位置的变化，就可以得到视差的角度。再测量出两地之间的距离，用简单的三角关系式就可以很准确方便地求出地月距离。当年的地中海及埃及地区完全可以提供这样的观测条件，计时也许有难度但也并非不可能，可奇怪的是这个方法没有被古希腊学者们采用。
太阳的尺寸和日地距离
由于太阳看起来和月亮一样大，根据上文的方法，阿里斯塔克斯估计地日之间的距离与太阳直径的比值也是 110 左右。他推断月亮正好被照亮一半（上弦月或下弦月）的时候，日月之间的连线和地月之间的连线应该垂直，如下图。这样在已知地月距离 L 的情况下，只要求出日地连线与地月连线的夹角 φ ，就通过余弦公式算得地日之间的距离 S 。
可惜的是，这个方法理论上正确，实践起来却很困难。在当时的观测条件下，阿里斯塔克斯无法确定上弦月的准确时间，他测得的 φ 为 87° 左右，与实际值 89.853° 的误差较大。阿里斯塔克斯得出了日地距离是月地距离 20 倍的结论，但实际上前者是后者的 390 倍。因为这个错误，他求出的太阳直径也比真实值小了很多。
虽然阿里斯塔克斯的结果有巨大的误差，但是他计算的逻辑确实是正确的。他算出太阳直径远大于地球直径，这使得他意识到地球围着太阳转才是符合逻辑的。因此阿里斯塔克斯是历史上第一位把太阳放在宇宙中心，提出日心说的人。可惜他的著作不被当时的主流学者接受，这一伟大的发现被埋没了上千年，后人把他称为希腊的哥白尼。
下一次月食是什么时候？
下一次月全食将发生在2019年1月21日。全食时间会持续1小时2分钟，但中国无法看到。2019年7月16日还会发生月偏食，那天也是执行第一次登月任务的阿波罗11号发射50周年纪念日。届时，月球勘测轨道器（LRO）应该还在持续运行，在2019年6月23日经历它抵月10周年。
习题链接
练习一
2014首次月全食出现在4月15日,北美洲和南美洲的大部分地区都可看到月全食的全过程,但我国大部分公众无缘欣赏，只有极东的东北地区及部分东部沿海地区可以看到一点点半影月食。阅读下图，回答1—3题。
1.读左上图，月食时，地球的位置应在上图中的
A．① B．② C．③ D．④
2.读图，2014年4月15月球大概位置是
A．a B．b C．c D．d
3.根据材料推测月全食发生时，我国的位置大约在
A．f B．h C．g D．e
解析与答案
1.A【解析】月食，实际上是地球位于月球和太阳之间，地球挡住了射向月球的阳光，地球的影子落在月球上，好象月球缺了一块。所以出现缺损的地方应是地球的位置，A对。
2.A【解析】结合前面分析，地球位于月球和太阳之间，日、地、月三者在同一直线上。对照右图，可以判断月球位于a位置，A对。
3.D【解析】读图，图示以地球北极为中心，所以地球呈逆时针方向自转。根据材料，我国只有极东的东北地区及部分东部沿海地区可以看到一点点半影月食，所以月食时，我国东部沿海位于昏线位置，对应图中的d点，D对。图中a点是夜晚，全部可以看到月食，A错。b点时东部沿海位于晨线，看不到月食，B错。c位于昼半球，看不到月食，C错。
练习二
刚刚过去的12月10晚，包括上海在内的我国境内大部分地区都观察到了美轮美奂的“月全食”天象。回答4—5题。
4.月全食发生时，月球位于图1中的位置是
A．a处 B．b处
C．c处 D．d处
5.月全食发生时，月面呈现的颜色
A．银白色 B．灰黑色
C．古铜色 D．蔚蓝色
解析与答案
4.A【解析】当地球位于月球和太阳之间时，会出现月食现象；当月球位于地球和太阳之间时，出现日食现象。符合的是a处。
5.C【解析】月全食发生时，月面呈现的颜色古铜色。
图文参考自科普中国、果壳网、中国天气网等媒体，侵权删
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