沙罗周期,天文学术语,为
日食和
月食的周期,是指长度为6,585.32天的一段时间间隔,每过这段时间间隔
地球、
太阳和
月球的相对位置又会与原先基本相同,因而前一周期内的日、
月食又会重新陆续出现。每个
沙罗周期内约有43次
日食和28次
月食。
简介
沙罗周期是
日食和
月食的周期,是指
月球在它的轨道盘上运行一周(以便月球交点沿着轨道公转一周)所需的时间——223个朔望月,即223 × 29.53059 天 = 6585.32157 天,也就是18年零11.32天(如果有5个闰年就是18年零10.32天)。这是古巴比伦人对
日食的观测后发现的其周期性,“
沙罗”就是重复的意思。这个时间接近242个
交点月(242 × 27.21222 天 = 6585.35724 天)。因为
沙罗周期有0.32天的“零头”,因此必须等3个沙罗周期,才能在
地球上的相似地点看到
日食再次发生。
世界各地在
沙罗周期中的连续食,有三分之一的是通过这种方式发生的,在3个
沙罗周期后,即54年零33天后,
日食几乎又在相同的地理位置出现。12个不同的主要沙罗日食(Grand Saros eclipse)现在正在发生,其中一个的食分别发生在1937年、1955年、1973年、1991年和2009年,每一次食的持续时间都在7.5分钟内。
发生在降交点附近的
月食,属于奇数列的
沙罗序列。这种序列的第一个
月食发生时,
月球穿越地影的南缘,然后在每一次的
沙罗周期中逐渐北移。
“
沙罗”一词在拉丁语里就是重复的意思,每个沙罗周期平均约有71次交食,包括
日食43次,
月食28次。由于
地球绕
太阳和月亮绕地球的公转运动都有一定的规律,因此
日食和
月食的发生也具有其循环的周期性。有了
沙罗周期,我们就可以预报
月食了。例如1991年7月11日,发生了一次
月全食,掩食带穿过
拉丁美洲及
太平洋地区。人们往前推18年零11天,1973年6月30日一定也发生了一次
日食,那次日全食的掩食带横穿了
非洲大陆。如果往后推一个
沙罗周期的时间,人们就能算出2009年7月22日也将发生一次
日食,这就是发生在
中国长江流域的日全食。
历史发现
沙罗周期是
迦勒底人在西元前数个世纪发现的,后来传到了
喜帕恰斯、
普林尼和
托勒密,但是都以不同的名称呈现。在
苏美爱德蒙·哈雷用来描述食的周期,而他是从11世纪的拜占庭苏达辞书转换过来的。虽然在1756年Guillaume Le Gentil指出
哈雷的名称是错误的,但是这个名词仍然被继续使用着。
古
巴比伦人可能是最早洞察这种规律的民族,他们很早就发现了“
沙罗周期”。所谓“沙罗”,
拉丁文中的原意是“重复”的意思,沙罗周期长约6585.32日,相当于18年又10.3或11.3日(视这18年中有5个还是4个闰年而定)。这就是说,它们在一个
沙罗周期后,会重现当年的天象——不过,食的类型,是全食还是偏食,能够见食的地域在哪里,却总会有一些差别。例如, 1980年2月16日(
春节),在
中国西南发生了一次日全食;可以肯定,在6585天之前的1962年2月5日,必定也发生过一次
日食——印尼的一次日全食;而那以后的6585天,即是1998年2月27日也一定有
某个地方——
南美洲——有一次日(偏)食,余下可以类推。
古
巴比伦人当然是从长期的实际观测中,依靠经验得到这个规律的。实际上,这是2个周期——朔望月与“
交点月”的
公倍数问题。前者长为29.530588日;后者是
月球通过它的轨道与
黄道交点的周期(这是发生日
月食的必要条件),约为27.212220日。经过一些换算可知:242个
交点月正巧与223个朔望月的长度都是6585天。即:
27.212220 × 242 = 6585.35724
29.530588 × 223 = 6585.32157
二者仅相差不到0.036日或50分钟。显然这是非常了不起的。我国古代同样也有值得骄傲的地方,也曾提出过多种类似的日
月食规律。如汉代的《
太初历》中,就有一个“三统历周期”,它长135个朔望月即3986.62965日,这与146.5个
交点月(3986.59023日)大致相等。
在唐朝时,有位天文学家、数学家
李淳风,他对日
月食的预报已经十分娴熟,相传他在事先算出,贞观八年五月辛未朔(公元634年6月1日)将有一次日全食后,按规定及时上奏了朝廷,可当时
唐太宗对于这位年仅32岁的“
太史令”还不够信任,所以问道:“日或不蚀(食),卿将何以自处?”李淳风胸有成竹,从容回答:“如不蚀(食),臣请死之。”若不是有非常的把握,谁敢以自己的性命来作担保?当然最后的结果是一场喜剧,有惊无险,但
李淳风从此声名大振,也获得了
唐太宗的充分信任。
性质说明
18年11天8小时的
沙罗周期用来预测相同食的再度发生上非常有用,因为他和
月球轨道的3种周期有关:
交点月、
近点月和朔望月。当食发生时,不是
月球位于
地球和
太阳之间(
日食),就是
地球介于太阳和月球之间(
月食),这种现象只有在新月或满月才会出现,因此决定月相变化的
朔望周期,29.53天,就有关系了。但是,并不是每次的满月或新月,地球或
月球的影子都能落在相对的天体上,因此食要能发生,这三个天体还必须接近在同一条线上,这种情况只会出现在月球穿越
黄道面上的两个交点(升交点或降交点)之一时,月球穿越
黄道面上同一个交点的周期经测定是27.21天。最后,如果食要有相同的现象和持续时间,那么这两次食的
地球和
月球还要有相同的距离,要出现相同距离的周期是
近点月,
时间间隔是27.55天。
沙罗周期的起源是223个朔望月的时间长度大约与242个
交点月相似,有与239个
近点月接近 (大约只相差不到2小时)。这意味着经过一个
沙罗周期,
月球所经历的朔望月、
交点月和
近点月几乎都是整数,
地球、
太阳和月球三者的几何关系几乎完全一样:月球在相同的交点上,有着相同的相位和与地球相同的距离。知道在某一天曾经发生一次食,则经过一个
沙罗周期之际,几乎一样的食将再度发生。然而,
沙罗周期 (18.031年)与
月球的
进动周期 (18.60年)并不相同,因此即使
地球、
太阳和
月球三者的几何关系几乎完全一样,但以恒星为背景的月球位置仍然不同。
沙罗周期的日数包含了⅓天的分数,不是整数使得问题更为复杂。由于
地球的自转使得使得经过完整的
沙罗周期当天发生的食将延后约8个小时。在
日食的情况下,这意味者能看见日食的区域将西移120°,或是三分之一个球面,因此在相同的地点上,每3次只能看见其中的1次。在
月食的情况下,下一次的月食在相同的地点上看见
月球在地平线上的时间可能是一样的长,但如果等待三次
沙罗周期(54年1个月,几乎大约就是19756日)之后的月食会在当天几乎相同的时间出现,这就是所谓的3沙罗周期或exeligmos (
希腊语:“转轮”)。
沙罗序列
如前所述,
沙罗周期根据223个朔望月、239个
近点月和242个
交点月,但是因为相互的关系不是完美的,相隔一个沙罗周期的两次食,在
几何的关系上还是有少许的不同。实际上,
太阳和
月球在合时的位置在每次
沙罗周期的交点仍相差了大约0.5°,这牵扯出一系列的食,而每次看见的情形都有少许的改变,称为沙罗序列。每个
沙罗序列由偏食开始,每经历一个沙罗周期,
月球的路径就会向北移 (经过
降交点的食) 或向南移 (经过升交点的食)。在某一个点上,食不再能够发生,这个序列就结束了。在西元前2000年至西元3000年,每个序列大约持续1226年至1550年不等,每个序列有69至87次的
日食,大多数都是71或72次。每个序列有39至59次
中心食(多数是43次,包括全食、环食与全环食)。
月食的序列没有这么长,任何时间都有大约40个不同的
沙罗序列在进行中。
无论
月球在降交点或升交点 (日食或
月食),
沙罗序列都以数字来编号。奇数的数字表示发生在接近升交点的
日食,偶数的数字表示发生在接近降交点的日食;但在
月食这种数字的搭配是相反的。沙罗序列的编号是以最大食出现,也就是最接近交点的时间来排列的。以2008年为例,共有39个 (117至155 )
日食的
沙罗序列在进行中,而
月食则有41 (109至149 ) 个序列在进行中。
变化规律
如果这3个周期每6585.322天后完全重复,日蚀便也会完全地重复在每个
沙罗周期后。然而,这些周期彼此间有细微的出入,这就引起每18年的
沙罗周期后日蚀发生的几何位置的改变。值得注意的是,19
执政官年减去223个朔望月大约等于11个小时。这个长达11个小时的缝隙就是
沙罗周期沿着时间推迟的原因。
假如把当前日蚀记做
日蚀A,把一个
沙罗周期后与之对应的的日蚀记做日蚀B,在任何一个位置
太阳和
月球必须连成一条直线形成满月。然而,
太阳在B将不会回到离月亮交点相同距离的位置上(日蚀A时太阳的的位置)。在它完成那第19个19执政官年之前它有11个小时的路程。
太阳在这11个小时中以平均27分钟移动一弧度的速度移动(大约一度),因此,日蚀B发生的位置便向西漂流0.5度(注意,日蚀发生的条件必须是太阳和月亮交点附近18度的范围内)。因为这个半度的漂移,
沙罗周期也就有了开始和结束,在70到80次连续的日蚀后才会完全和以前重合。这样,整个
沙罗周期的循环就需要12到14个世纪的的时间。假设我们看见的日蚀是在月亮北交点东18度左右,此时的
月球也在
黄道的北边1.5度。
月亮的阴影投在
太阳北边以至于仅仅和
地球表面的
北极地区檫边而过,在
北极附近形成一次日偏蚀。18年后的下一次日蚀将会多靠近月亮北交点半度左右,使
月球的阴影向南移动。日偏蚀将会是“比较深的”(更多的
太阳被阴影覆盖),持续时间更长,在
地球表面的覆盖面积也更大。除此之外,
月球阴影向
地球赤道移动。最后,在10到11次日蚀之后,月亮的
本影区投到
地球上,引起一次日全蚀(或环蚀)。接下来的日蚀将全是日全蚀(或日环蚀)。
在
赤道附近将会有整个
沙罗家族中持续时间最长的日蚀发生(大约35到40次日蚀后,当日蚀发生点刚好在月亮北交点之后。整个日蚀将以相反的顺序重复前一半的过程。在多个日全蚀之后,
沙罗家族以10到11次日偏蚀在南极附近结束。最后,新月离月亮北交点太远太远,使得月亮的阴影不能投到
地球表面,这次
沙罗循环也因此结束。如果日蚀在月亮南交点处发生,周期将是相同的,除非日蚀在
南极发生并开始向北极移动。一个月蚀
沙罗循环的推移情况也是相似的。
正如上述所说,日蚀只发生在
太阳处于月亮南北交点的前后18天内。这个长达一个月的时期叫做“日蚀季节”;期间可能发生1次到3次日蚀。而天空中的日蚀现象蚀非常频繁的,所以事实上,每个日蚀季节都属于不同的
沙罗循环,月蚀沙罗循环也类似。除此之外,随着旧沙罗循环的逐渐消失,新的循环开始代替他,而且一直交迭下去。因此就有可能多个
沙罗循环作用一个日蚀季节。
大体上,任何一段时间内,都会有38到42个
太阳沙罗周期同时作用,月亮沙罗周期也一样,每个都在他们各自的阶段。因此,整个
沙罗周期的结构是极其复杂的。
记数作用
由于
沙罗周期的混乱性,区分每个沙罗周期就十分重要。这就需要我们给这些周期命名或编号来识别它们。天文学家有一套为
沙罗周期的记数的方案,占星家也有独立的记数方法。天文上的
沙罗周期记数方法是以van den Bergh出版的《a 1955 paper》为准,但忽视了一些至关重要的细节。他把起始于遥远古代到现在的
沙罗周期都做了编号。如果
太阳靠近月亮北交点,
沙罗就被编上奇数号,如果靠近南交点,
沙罗就被编上偶数号。太阳的沙罗循环和
月球的沙罗循环分别编号(严格地按照太阳和月亮来区分)。
占星家使用的
沙罗数字相对更为复杂。第一,只看到过两本讨论
沙罗周期的书,并且这两本书都只讲解了日蚀沙罗周期,月蚀沙罗周期则被忽略了。他们任意地为日蚀季节做连续编号为“1 North”(
太阳在月亮北交点1度),“1 South”(太阳在月亮南交点1度)。除此之外,如果两次日蚀发生在相同的日蚀季节里(相隔29天),前一个
沙罗循环叫做“老”(old)和后一个沙罗家族叫做“新”(new)。这就使从公元727年开始的一个沙罗循环有了一个较长的名字,叫做“9 South Old”,而公元1917年开始的沙罗周期则被叫为“9 South New”。当旧的周期结束后,新的周期便再一次开始了,而先前的“new”也随之换成了“old”。随着周期的运转,“new”也不停的更换,
占星的编号方法就显得更为复杂和混乱。
应用
沙罗周期与洪水定性预测
相似日月食的再现,即当发生的日月食的食类相同、时间相近、经过地区(指地面上月、日影笼罩范围)一致的情况下,可能出现相同的天气情况,所产生的暴雨洪水大体相同或相近,即效应相似。例如1662与1756年所发生的日月食的食类相同、时间相近、经过地区基本一致,这2年黄河都发生了大洪水,洪水的区域、量级、遭灾情况基本一致。1853与1937年所发生的日月食极为相似,对照2年的天气情况也大体一致,2年中在河南几乎相同的区域发生了极为相似的洪水。
1864与1958年发生的日月食大体一致,1864年黄河下游、湖南、辽南出现洪涝灾害,长江中下游偏早;而1958年黄河中游、四川北部、辽南等地洪涝,长江下游干早。再如近期1996同1931年日月食相似,1931年有资料131记载:1931年8月中旬,长江流域发生全流域特大洪水。据鄂湘、赣、皖、苏等5省统计,该年洪水186个县受灾,受灾农田333.3万hmZ,受灾人口2850万人,死亡14.5万人,损失财产当时银元13.5亿元;而1996年我国有13个省区发生洪灾,7月18日统计就有200多万人被紧急转移,倒塌房间81万间,损坏280多万间,造成直接经济损失400亿元,其中湖南资水流域、玩水流域和洞庭湖相继发生特大洪水。如上述各事例均说明当日月食大体一致的情况下,其效应也大体相似。
暴雨洪水与当日食沙罗周期有明显的周期性相应关系。1991与1973年日月食发生的时间、次数、经过地区极为相似,1973年吉林省中部发生较大洪水,而1991年发生的情况与1973年几乎完全一致。而且间隔18年,为一个沙罗周期。吉林省第二松花江1942年为大水年,经过一个沙罗周期后的1960年出现的日月食与1942年一致,当年也出现了大水。
又如1953年松花江上游区为大水年份,吉林省松花江流域上游五道沟水文站最大洪峰流量为7120m3/。,是1888年以来最高大洪水,18年后(一个沙罗周期)的1971年该站流量为2620耐/,,(它多年最大洪峰平均流量为1235时/。),出现的日月食情况大体相同,因而亦发生了洪水。在暴雨洪水与日食的沙罗周期有明显的相应关系中,对于无月食年发生的大洪水与沙罗周期更趋相应。在近百年(1897一1998年)资料中,无月食现象每隔7,n年交替出现。出现一次间隔11年的无月食年必定相继出现间隔7年的无月食年,同样如出现相隔7年的无月食年,继而必定出现相隔11年的无月食年,两者合计相隔均为18年,与日食的沙罗周期相同。
说明月食同样存在着与日食沙罗周期相似的周期。在无月食年里发生的洪水,日食就成为主导因素,因而沙罗周期与洪水的相应关系更为确切。以长江为例,1951年为无月食年,长江发生了大洪水,继后18年的1969,1987年亦为无月食年,都出现了大水;1%2年为无月食年,长江发大水,18年后的1980,1998年亦为无月食年,也都发生了大水。