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天文|太阳和月亮真的是从东方升起的吗？

天文学是人们所知最古老的科学 。 然而 ， 正是这般长久的相识 ， 使得我们经常觉得有些天文现象太过于常见而显得微不足道：比如太阳升于东方而落于西方——恐怕没有比这更为显而易见的事情了吧？毕竟它每天都在我们的生活里自然地发生着 。
实际上 ， 真相根本不如人们所想！
天文|太阳和月亮真的是从东方升起的吗？
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日出和日落看起来十分寻常 ， 但其中仍蕴藏着丰富的天文知识 。 （图源：Shutterstock）

太阳何时落于西方升于东方呢？

【天文|太阳和月亮真的是从东方升起的吗？】首先 ， 从严格意义上来说 ， 一年中仅有两天太阳是恰好升于正东又落于正西的 。
日出和日落是由于地球的逆时针方向自转（从北极上空俯瞰）产生的 。 而只有当我们在地球表面绕行的圆形轨道恰好被分为两等分 ， 即一半在光面、另一半在暗面时 ， 太阳才会恰好在正东升起 ， 正西落下 。 此时 ， 地球的自转轴相较于它的轨道面倾斜23.5° ， 而这样的排列只会发生在春分日和秋分日 。
天文|太阳和月亮真的是从东方升起的吗？
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地球的倾斜使得每年只有两天太阳恰好能从正东升起 。 （图源：Wikimedia Commons）
在每一个分点 ， 分离了地球的白昼侧、黑夜侧的轨道面也会将北极与南极包含在内 。 在除了春分和秋分这两个分点以外的任何一天 ， 这个轨道面都是歪斜的 。 并且 ， 地球自转的圆形路径不均等地穿过地球的光照侧边与黑暗侧边 。 因此 ， 白昼与黑夜的时间长度并不相同 ， 日出和日落在地平面上的位置更是有着很大的差异 。
天文|太阳和月亮真的是从东方升起的吗？
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那么月亮呢？通过上述的分析 ， 我们可以得出以下结论：日出和日落的位置变化的原因有二：其一是由于地球自转轴相较于其轨道平面发生了倾斜；其二是因为地球在公转轨道上的运行 ， 使得它相对太阳的倾斜角度也发生了变化 。 我们可以借鉴同样的归因方法来解释月亮所呈现出的一种相似现象 。月球围绕地球运行的轨道与地球的轨道平面形成了一个大约5°的夹角 。 因此 ， 地球的自转轴相对于月球的轨道平面倾斜了大约28.5° 。 同时 ， 当月球在其轨道上运行时 ， 月出也会在正东偏北与偏南之间转换 。

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正如地球围绕太阳运行的轨道是倾斜的一样 ， 月球围绕地球运行的轨道也是倾斜的 。 （图中非精确数据）（图源：NASA / Wikimedia Commons）

然而在这种情况下 ， 这种变化的周期并非是一年 ， 而大约是一个月 。 地球必须在轨道上完整地运行一周 ， 才能使得太阳直射点到达它的极限 ， 即在夏至时从最远端的东北升起 ， 在冬至时从最远端的东南升起 。 月球亦然 ， 它同样必须围绕地球完整地运行一周 ， 才会到达月出和月没的极限位置 。
为什么月升每天都会较前一天更晚发生？天文|太阳和月亮真的是从东方升起的吗？
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一个有趣的现象：每天月亮升起的时间与前一天不同 。 （图源:Astronomy Magazine）
由于地球和月球都在各自的轨道上运行 ， 月出每天都会比前一天更晚发生 。 正如从北极上方看地球逆时针旋转一样 ， 月球也在围绕着地球逆时针公转 。 因此 ， 每一次地球相对于一颗恒星旋转了360° ， 即经历了一个恒星日时（共23 个小时 56 分钟） ， 月球只在公转轨道上移动了一小段距离 。 而当月球相对于恒星每27.32天围绕地球公转一周时 ， 标志着一个恒星月的完成 。 所以月球在每一个恒星日移动了(360/27.32)度 ， 即大约13° 。 而地球在每个恒星日旋转360° ， 所以月球每天需要多花费13*(23.9/360)小时， 即52分钟去弥补这余下的13°的角度差 。 也因此 ， 每一次月出都要比上一次晚约52分钟 。

由于月相同样取决于它同地球和太阳的相对位置 ， 因此其相位也会随着月出和月没的时间而发生改变 。
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月出和月没的秘密也同样值得我们探究 。 （图源： ST Online Photo Gallery）

作者: skyandtelescope
FY: 在树冠层沐浴阳光
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