中秋赏月指南:月亮离我们有多远
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中秋赏月指南:月亮离我们有多远

2019-09-15 19:06 主页 来源:未知
中秋赏月指南:月亮离我们有多远

丙辰中秋,欢饮达旦,大醉,作此篇,兼怀子由。

明月几时有,把酒问青天。不知天上宫阙,今夕是何年。我欲乘风归去,又恐琼楼玉宇,高处不胜寒。起舞弄清影,何似在人间。

转朱阁,低绮户,照无眠。不应有恨,何事长向别时圆?人有悲欢离合,月有阴晴圆缺,此事古难全。但愿人长久,千里共婵娟。

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900多年前,苏东坡举杯对月,欲乘风归去。

900多年后,我们的“嫦娥四号”飞行26天,成功在月球背面软着陆,并通过“鹊桥”中继星传回了世界上第一张近距离拍摄的月背影像图。

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(若东坡看到这“琼楼玉宇”,不知会有何感想)

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人类从仰望月亮到在月球上留下足迹,这中间必然要解决一个疑问:月亮离我们有多远呢?

让我们跟天文科普作家卞毓麟一起回溯人类测量月地距离的历程吧。

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卞毓麟,天文学家、科普作家、出版人。1965年毕业于南京大学天文学系。中国科学院国家天文台客座研究员,上海市科普作家协会终身名誉理事长。著译科普图书30余种,发表科普和科学文化类文章约700篇,所著图书曾获中华优秀出版物奖、国家图书馆文津图书奖等荣誉。

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利用月食推算

2000多年前,古希腊天文学家阿里斯塔克(Aristarchus,约前310—约前230)曾借助上弦月、日全食时日、月、地三者的位置关系,推算日、月到地球距离的比值。

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阿里斯塔克根据观测确定,上弦月时,日、月、地三者构成一个直角三角形,日与月在天穹上相距 87°,由此可以推算出日地距离和月地距离的比值。

一个半世纪后,古希腊天文学家伊巴谷(Hipparchus,约前190—约前120)将阿里斯塔克提出的测量月地距离的设想付诸实践。

阿里斯塔克指出,月食发生时,掠过月面的地影轮廓的弯曲情况应该能显示出地球与月球的相对大小。根据这一点,运用几何学原理可以推算出月亮与地球的距离是地球直径的多少倍。伊巴谷做了这一工作,算出月亮和地球的距离几乎恰好是地球直径的30倍。如果采用当时测算出的地球直径(12700千米),那么月地距离约是38万千米,这与现代测定的数值相当接近。

三角法测月

尽管阿里斯塔克的方法十分巧妙,伊巴谷的观测技术又很高超,但是利用月食推算月地距离的方法还是过于粗略,天文学家们必须另找出路。

人们早就懂得怎样计量地面上不能直接到达的目标有多远了。比如,在一条滔滔奔腾的大河对岸有一排街灯,我们不用渡河,也可以知道这些灯有多远。这只要使用简单的三角测量法就行了。

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例如图(甲)中,我们站在A处,要测量C处这盏灯的距离。那可以这样做:先在图(甲)的A 处立一根标杆,再顺着河岸向前走一段路,到某一点B停下,再立一根标杆。AB的长度可以用很准确的尺直接量出,这就是测量的基线。再用测角仪器测出∠CAB和∠CBA的大小。于是,在△ABC中知道了两个角和一条边,就立刻可以推算出AC的长度了。

测量“天灯”的方法也一样。我们只要在地面上选定一条很长的基线,量出它的长度,并在它的两端插上标杆,然后用“天灯”作为目标代替上面的街灯,再按同样的办法测出两个角度,就可以得到这盏“天灯”的距离了。

历史上,首先用三角法测定月地距离的,是法国天文学家拉卡伊(Nicolas Louis de Lacaille,1713—1762)和他的学生拉朗德(Joseph⁃Jérôme Le Français de Lalande,1732—1807)。

1752年,拉朗德来到柏林。当时,他的老师拉卡伊正在非洲南端的好望角。这两个地方差不多处在同一经度圈上,纬度则相差 90°有余。他们同时在这两个地方进行观测,首次用三角法来测定月亮的距离,他们之间的基线比地球的半径还要长。

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在柏林(B)和好望角(C)同时观测月亮(M),O代表地球中心。

拉卡伊和拉朗德计算的结果是:月球与地球之间的平均距离大约为地球半径的60倍

雷达测月

用三角法测量得到的月地平均距离为384400千米,但是天文学家们并不满足。

雷达测月便是从20世纪50年代后期开始发展起来的新方法。

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雷达测月的方法直截了当。如上图所示,在地球上的某天文台A向月球发出一个无线电脉冲,并记下发出脉冲的时刻t1;这个脉冲信号到达月球上的B点后,又反射回A点,记下接收到返回信号的时刻t2。电波传播的速度就是光的传播速度c,它在(t2-t1)这段时间内走过的路程是 c(t2-t1),这正是在A、B两点之间往返一次的长度,所以A、B之间的距离便是 c(t2-t1)/2。再经过一些推算,即可定出月球中心到地球中心的距离。第一次成功的“雷达测月”是1957年的事,从那以后这种方法取得了很大的进展。通过系统的测量得知,月地平均距离为384400千米,其误差不超过1千米

激光测月

激光的发明为整个科学技术领域提供了强大的新武器。激光的方向性极好,光束非常集中,单色性极强,因此它的回波很容易与其他来源的光(例如背景太阳光)区分开来,所以激光测月的精度也远较雷达测月为高。最初成功地接收到来自月面的激光脉冲回波是在 1962年,它为激光测月拉开了序幕。

激光测月比过去采用三角法测定月球距离的精度提高了上千倍,20世纪末借助更优质的新颖激光器,更使测距精度达到了2~3厘米

应用精确的月球测距资料,人们对月球环绕地球的轨道运动琢磨得更透彻了。这对于研究月球的内部结构、地月系统的质量、地球的自转、地极的移动以及检验引力理论等,都具有很重要的意义。

以上内容整理自《星星离我们有多远》一书“明月何处有”一章,想了解更详细的人类测月知识,请阅读原书。

Tip:

月球绕地球运行的轨道是个椭圆,因此月地距离时时都在变化。月球离地球最远时为 405 500千米,最近时则为363 300千米,月地之间的平均距离是384 400千米。

《星星离我们有多远》是一部完美融合科学精神人文情怀的天文科普佳作,讲述了人类测量天体距离的探索历程和研究成果。

全书介绍了从近处的月亮到极远处的类星体的距离的测量方法与估算结果,深入浅出地讲解了历代天文学家不断创新发展“量天尺”的过程,蕴含丰富的天文知识和历史知识。

图书配有72幅插图8个表格,直观、形象地介绍了相关原理和信息,不仅普及了天文学知识,而且传授了天文学的研究思路,有利于激发读者对科学研究的兴趣,引导读者尝试科学探索。