蘇明俊

(高雄市天文學(xué)會(huì)理事長(zhǎng))

今年(2006年)十一月9日的清晨,，太陽(yáng)一出來(lái)的時(shí)候,，臉上將多了一個(gè)小圓黑點(diǎn)，那是水星經(jīng)過(guò)太陽(yáng)的面前所造成的,，我們稱它「水星凌日」,，是一種很特別的天象。本文主要在介紹水星凌日的現(xiàn)象以及觀測(cè)的方法,，但之前先介紹一下有趣的水星,。

第一節(jié)  水星簡(jiǎn)介

水星的特色就是繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的速率特別快，大約0.2409年(約88個(gè)地球天)就可以繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一圈,，因此在羅馬神話中被稱為上帝的使者,，他的形象通常鞋子後面會(huì)有一雙翅膀，代表行動(dòng)迅速,，掌管商業(yè),、旅行、與偷竊之神,，相當(dāng)於希臘神話中的賀密士(Hermes),。

水星還有「度日如兩年」以及「軌道進(jìn)動(dòng)」的特殊現(xiàn)象；因?yàn)榻咏?yáng),，又沒(méi)有大氣層,，表面的冷熱溫差大到600度(最高溫427℃、最低溫-173℃)也很特別,。

一,、水星的表面與形成過(guò)程

一直到水手十號(hào)(Mariner 10)太空船探測(cè)水星後，我們才對(duì)水星有稍微的了解,，因?yàn)閺牡厍蛴猛h(yuǎn)鏡觀察水星,，它與太陽(yáng)的大距(maximum elongation)最多才28度,，因此只能在黎明時(shí)分或者日落時(shí)分才有可能看見(jiàn)，看見(jiàn)的時(shí)候也總是在很低的地平線上方,，光線必須透過(guò)十倍的地球大氣層厚度，造成觀測(cè)上的困難,。水手十號(hào)於1973年11月3日發(fā)射升空,，1974年3月29日低空飛越水星表面，距離水星表面只有705公里,，1974年九月21日第二次飛越水星表面,，1975年3月16日第三次，共拍攝了2700張照片,，含蓋了水星表面的45%,。

水手十號(hào)傳回來(lái)的照片顯示水星擁有類(lèi)似月球的表面，表面佈滿了隕石坑,，包含巨大且多重環(huán)形的盆地,，還有許多巖漿流的痕跡，隕石坑的大小從100公尺(也就是水熟十號(hào)拍到照片中最小的解析度)到1300公里,，這是不同時(shí)期造成的,，有一些是年輕並且邊緣明顯，也有一些有輻射亮線的延伸,，隨著被隕石轟炸而邊緣逐漸變得柔和,。Hartmann 和Kuiper (1962)定義盆地(basin)為：「具有特殊同心環(huán)及放射狀的特徵，既大且圓的窪地」,，其他人認(rèn)為任何隕石坑都比200公里大的盆地還大,。水星最大的隕石坑是Caloris 盆地，直徑1300公里,，可能是由一個(gè)超過(guò)100公里的隕石撞擊所造成的,，這個(gè)撞擊造成同心圓的環(huán)形山高3公里，噴出物的範(fàn)圍約600到800公里寬(木星的衛(wèi)星Callisto上也有類(lèi)似的環(huán)形山Valhalla region),，地震波以Caloris為中心一直傳到水星的另一邊,，並且形成了一個(gè)雜亂無(wú)章的地形，但在隕石坑被撞擊之後,，已有一部份的地方已經(jīng)被巖漿填滿了,。

水星表面到處可以看見(jiàn)大弧度的懸崖或分裂的陡坡，顯然是水星冷卻時(shí)形成許多皺紋的水星表面,，並且收縮了幾公里的大小,，如此的收縮產(chǎn)生了很多幾公里高、好幾百公里長(zhǎng)的陡坡,。

大部分的水星表面是平原,，佈滿了又老又沉重的隕石坑,，但是有一些平原就沒(méi)有什麼隕石坑，科學(xué)家將這些平原分類(lèi)為坑間平原(intercrater plains)及平坦平原(smooth plains),，坑間平原很少隕石坑,，並且直徑都小於15公里，這些平原可能是因?yàn)閹r漿流填滿了原有的古地形,；在Caloris平原附近有許多平坦平原,，因?yàn)槟贻p還沒(méi)有很多隕石坑，在某些地區(qū)的隕石坑中可以看見(jiàn)填滿的巖漿,。

水星約在45億年前形成,，整個(gè)形成的歷史很像地球，當(dāng)時(shí)它們蒐集物質(zhì)與來(lái)自星雲(yún)殘骸的時(shí)候,，就像一次猛烈的行星轟炸,，形成初期，水星的密集金屬核心以及矽酸鹽地殼都有所差異,，在強(qiáng)烈的轟炸期之後,，巖漿流過(guò)表面並覆蓋老地層，此時(shí)大部分的殘骸已經(jīng)被掃除,，水星進(jìn)入較輕的轟炸期,，在這一期間，坑間平原(intercrater plains)形成了,，接著,，水星冷卻了。它的核心收縮依序打破了地殼,，並且產(chǎn)生了突起的分裂陡坡,；在第三階段，巖漿淹沒(méi)低漥的地方,，形成了平坦的平原(smooth plains),；第四階段期間，微小隕石的轟炸形成了滿是灰塵的表面,，所謂的表土(regolith),。少數(shù)較大的隕石撞擊表面，產(chǎn)生隕石坑的輻射狀條紋,，除了偶而的隕石撞擊,，水星的表面不再活動(dòng)，相同的面貌維持了好幾百萬(wàn)年,。

二,、水星上「度日如兩年」

如果你住在水星上，一天之中就有兩次過(guò)年,！

□水星公轉(zhuǎn)速率最快,！

水星是離太陽(yáng)最近的行星,，運(yùn)動(dòng)的速率當(dāng)然是九大行星中最快的。但請(qǐng)注意,，水星跑得最快,，並不代表它受到太陽(yáng)的萬(wàn)有引力最大。九大行星中受到太陽(yáng)萬(wàn)有引力最大的行星,，並不是水星,，而是木星，主要是因?yàn)槟拘堑馁|(zhì)量太大了,，表一顯示九大行星受到太陽(yáng)的萬(wàn)有引力大小關(guān)係，我們可以看到木星受到太陽(yáng)的引力是地球的11.7倍,，水星則只有地球的0.367倍而已,。那為什麼水星會(huì)繞轉(zhuǎn)最快呢？根據(jù)刻卜勒第三定律,，行星繞轉(zhuǎn)太陽(yáng)的速率(或週期)只和行星離太陽(yáng)的距離(公轉(zhuǎn)軌道半徑)有關(guān),，而與行星的質(zhì)量或萬(wàn)有引力沒(méi)有關(guān)係。水星為了不被太陽(yáng)吸引而墜落太陽(yáng)表面,，就必須將太陽(yáng)的引力轉(zhuǎn)化為圓周運(yùn)動(dòng)的向心力,，一直繞著太陽(yáng)運(yùn)行。

表一：九大行星受太陽(yáng)引力大小比較表

水星軌道的離心率非常地大(e=0.2),，是一個(gè)很長(zhǎng)的橢圓形,，在近日點(diǎn)時(shí)距離太陽(yáng)4600萬(wàn)公里，而在遠(yuǎn)日點(diǎn)時(shí),，卻有7000萬(wàn)公里,。

□水星的自轉(zhuǎn)很慢！

1965年,，Pettengill和Dyce利用雷達(dá)觀測(cè)求得水星的自轉(zhuǎn)週期是59天(誤差5天),，1971年，Goldstein也利用雷達(dá)將週期求得更為精確是58.65天(誤差0.25天),，到了水手十號(hào)太空船探測(cè)之後,，週期就更為精確了，是58.646天(誤差0.005天),。很早以前的水星,，它的自轉(zhuǎn)週期可能很快，科學(xué)家推測(cè)它當(dāng)時(shí)的自轉(zhuǎn)週期可能只有8小時(shí),，幾百萬(wàn)年後的今天,，受到太陽(yáng)的潮汐力作用而變慢，如此過(guò)程的模型可以證明自轉(zhuǎn)變漫可能要花上十億年,，並且讓行星內(nèi)部的溫度上升100度,。

水星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一圈的週期是88個(gè)地球天,，自轉(zhuǎn)的週期是58.65天(地球天)，它的公轉(zhuǎn)週期是自轉(zhuǎn)週期的1.5倍,，也就是說(shuō)：水星的自轉(zhuǎn)很慢,，而公轉(zhuǎn)的速度很快，使得住在水星上的人感覺(jué)：水星上的一天之中,，已經(jīng)過(guò)年兩次了,，真是「度日如兩年」啊，可能比「度日如年」還要多難過(guò)一倍,。因?yàn)樗巧系娜?，從日正?dāng)中開(kāi)始到下一次日正當(dāng)中的時(shí)間是176個(gè)地球天；而水星公轉(zhuǎn)一圈(亦即水星上的一年)的時(shí)間是88個(gè)地球天,。開(kāi)個(gè)玩笑,，為什麼住在水星上(假設(shè)有人適合住在水星上)會(huì)這麼難過(guò)呢？沒(méi)有空氣,，不能呼吸,，也聽(tīng)不到對(duì)方的談話，要聽(tīng)到精采的音樂(lè)會(huì)難度應(yīng)該很高吧,？沒(méi)有海洋沒(méi)有水,，水上活動(dòng)當(dāng)然就免談囉？白天抬頭一看,，一顆又大又熱的大太陽(yáng)掛在天空中,，肯定不會(huì)太舒服的？倒是晚上就比較快樂(lè)了,，因?yàn)樘ь^一看,，兩顆大大的星星，金黃色的金星和藍(lán)白色的地球就在空中照耀,，不幸的是,，這些星都不會(huì)眨眼睛，「天氣」又未免太冷了些,？

□水星上的一天

至於「度日如兩年」是怎麼來(lái)的呢,？我們來(lái)討論一下水星表面上的一天有多長(zhǎng)呢？

(T₂代表水星自轉(zhuǎn)的週期,、T₁代表公轉(zhuǎn)週期,、T就是水星和地球的會(huì)合週期)

上式中58.65天是金星自轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間、而87.99天則是金星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間,。

計(jì)算一下,，我們可以得到會(huì)合週期T=175.89天，也就是說(shuō)如果你住在水星上的話,，每天(水星天)(從水星的日正當(dāng)中到下一次日正當(dāng)中)的長(zhǎng)度大約是176天(地球日),，如此一來(lái),，你一定發(fā)現(xiàn)一件有趣的事，水星上的一年大約88天,，而水星上的一天卻是176天,，真是「度日如兩年」啊,！

三,、水星的大小

水星是太陽(yáng)家族中第二小的行星(最小的是冥王星)，直徑比地球的40%還要小,，但比月亮大了40%,，也就是說(shuō)：假設(shè)地球的直徑為1，那麼水星的直徑是0.38,，月亮的直徑就是0.27,。它甚至於比木星的衛(wèi)星甘尼美德(Ganymede)及土星的衛(wèi)星泰坦(Titan)都還要小，但質(zhì)量卻比較大,。(表二是一些星球的比較表，表三是水星的物理表,。)

表二：水星與一些行星和衛(wèi)星的比較表

四,、怪怪的水星

水星的軌道很接近太陽(yáng),，愛(ài)因斯坦說(shuō)：太陽(yáng)因?yàn)橹亓κ沟酶浇目臻g扭曲了！也因?yàn)槿绱?，水星的軌道就?huì)怪怪的進(jìn)動(dòng),！

□水星軌道的進(jìn)動(dòng)

水星在繞行太陽(yáng)的軌道時(shí)，近日點(diǎn)依歲差前進(jìn)的速度非常地緩慢(每世紀(jì)移動(dòng)9’26”),，1843年,，李維利能以牛頓力學(xué)解釋此現(xiàn)象的百分之九十，認(rèn)為其他誤差(10%)應(yīng)該是水星的內(nèi)側(cè)還有另外一顆行星(X planet)所造成,，著名的第十顆行星引起許多天文學(xué)家的興趣,，並且在還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)之前就先取好名字了，叫火神星Vulcan,，但到今天為止,，都不能找到應(yīng)該存在的第十顆行星。之所以如此,，是因?yàn)橄惹坝^測(cè)到天王星的軌道受到擾動(dòng),，根據(jù)擾動(dòng)的資料預(yù)測(cè)新行星的位置,，並且成功地發(fā)現(xiàn)了海王星，提升了牛頓力學(xué)的成就,，李維利據(jù)此預(yù)測(cè)水星之內(nèi)應(yīng)有第十顆行星,。但到了1917年愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論，才正確地說(shuō)明水星軌道運(yùn)動(dòng)每世紀(jì)四十三弧秒的額外差異,，是因?yàn)樘?yáng)龐大的質(zhì)量使附近的空間彎曲,，水星的軌道才產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)。(圖一,、水星軌道進(jìn)動(dòng)示意圖)

□1919年的日全食

1919年發(fā)生的日全食,，觀測(cè)到太陽(yáng)後面的背景恆星位置因?yàn)樘?yáng)的強(qiáng)大重力場(chǎng)而產(chǎn)生位移(也就是光線因?yàn)榻?jīng)過(guò)太陽(yáng)附近彎曲的空間造成)，得到了證明,。由於愛(ài)因斯坦的理論合理地說(shuō)明了水星的運(yùn)動(dòng),，使大家接受這個(gè)理論。1917 年,，英國(guó)天文學(xué)界預(yù)測(cè)出 1919 年 5 月29 日發(fā)生日全食,，這一次的日食全食帶從非洲東岸開(kāi)始，向西經(jīng)過(guò)大西洋,，南美洲東岸的巴西北部,，一直到達(dá)南美洲西岸的智利。劍橋大學(xué)天文學(xué)家艾丁頓 (Arthur Stanley Eddington,1882-1944) (生於1882年12月28日,，死於1944年11月22日)規(guī)劃兩個(gè)觀測(cè)隊(duì)伍,，分別前往西非海岸Guinea灣的Principe島和巴西北部的Sobral拍攝日全食的照片，愛(ài)丁頓自己去西非,，巴西的探險(xiǎn)隊(duì)由格林威治皇家天文臺(tái)的Andrew Crommelin 率領(lǐng),。觀測(cè)的重點(diǎn)是日食的時(shí)候，背後恆星的位置是否變化,？在隨後沖洗出來(lái)的照片中,，日食時(shí)的星星位置果真偏了，偏離的量與愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)的角度相當(dāng)接近,，驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦宣稱的「時(shí)空是隨著物質(zhì)的分佈而彎曲」,，而彎曲的空間造成了光線的偏折現(xiàn)象。隨後在1922年的日食,，也驗(yàn)證了這個(gè)相對(duì)論的結(jié)果,。

□日全食證明空間會(huì)因?yàn)橹亓Χで?span>

他們拍攝驗(yàn)證的方法，是先前就拍攝金牛座黃道附近的恆星(位於亮星團(tuán)畢宿五上方5.5度的天空),，日全食的那一天,，太陽(yáng)的位置剛好就在金牛座的亮星畢宿五上方，這些恆星因?yàn)樘?yáng)的亮度而不可見(jiàn)，但是日全食過(guò)程的短時(shí)間內(nèi)(這一次長(zhǎng)達(dá)6分鐘,，一般日全食只有2分多鐘),，這些恆星就會(huì)因?yàn)殛?yáng)光的消失而顯現(xiàn)出來(lái)，因而在金牛座的同一個(gè)位置可以拍攝到這群相同的恆星,。兩種照片沖洗出來(lái)後相互比對(duì),，發(fā)現(xiàn)第二張照片的星星已經(jīng)偏離原來(lái)的位置了。為什麼恆星的位置會(huì)有偏離的現(xiàn)象呢,？為什麼太陽(yáng)離開(kāi)之後又恢復(fù)了呢,？顯然恆星的光線經(jīng)過(guò)太陽(yáng)附近的時(shí)候會(huì)有偏折的現(xiàn)象，金牛座恆星發(fā)出的光線由於經(jīng)過(guò)太陽(yáng)附近(與地球兩點(diǎn)間的直線),，受到太陽(yáng)的重力影響而偏了方向,，恆星明顯地位移了 1.98 秒弧的角度，與愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)的 1.74 秒弧的角度相當(dāng)接近,。彎曲的空間造成了光偏折的論點(diǎn),，這是相對(duì)論理論的大成就，從此科學(xué)家對(duì)空間與時(shí)間的本質(zhì)才有更進(jìn)一步的理解,。當(dāng)然對(duì)於很接近太陽(yáng)的水星,，在公轉(zhuǎn)軌道上有古怪的進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象的解釋，也同時(shí)因?yàn)閺V義相對(duì)論的提出迎刃而解了,。

五,、水星探險(xiǎn)家的遭遇

假設(shè)真的有一位探險(xiǎn)家在水星上活動(dòng)。

□太陽(yáng)很大,！

探險(xiǎn)家在水星表面上看見(jiàn)的太陽(yáng)大概是地球看見(jiàn)太陽(yáng)大小的6.67倍，因?yàn)橥晃矬w近看會(huì)比遠(yuǎn)看來(lái)的大,，水星看見(jiàn)太陽(yáng)的距離只有地球的0.3871倍,，而0.3871平方反比大約是6.67倍?？匆?jiàn)這麼大的太陽(yáng),，背後的天空卻總是黑暗一片，因?yàn)樗堑谋砻鏇](méi)有大氣層可以造成陽(yáng)光的散射(scattering),，當(dāng)然也不會(huì)有藍(lán)天白雲(yún),，更不用說(shuō)天氣變化了。當(dāng)探險(xiǎn)家抬頭仰望夜空時(shí),，他可能會(huì)看見(jiàn)兩顆又大又亮的星星,，一個(gè)是金黃色的金星，另一個(gè)是藍(lán)色和白色的地球,，並且不會(huì)有陰天影響觀測(cè)的困擾,。此外，在水星表面觀星象，條件比地球好許多了,，應(yīng)該用不到太空望遠(yuǎn)鏡,。

水星會(huì)自轉(zhuǎn)，被塵埃覆蓋的山丘已經(jīng)受到隕石經(jīng)常性的轟炸而侵蝕,，斷層峭壁上升好幾公里的高度,，並且綿延幾百公里寬，隕石坑的點(diǎn)布滿了水星的表面,。如果探險(xiǎn)家要踏在水星的表面上,，他會(huì)發(fā)現(xiàn)水星的地面就像月球的表面一般，到處都是大小不一的坑洞,。

□日夜溫差很大,！

水星沒(méi)有大氣層調(diào)節(jié)氣溫與氣候，探險(xiǎn)家在白天的中午日曬很熱(最高可達(dá)攝氏423℃),，到了晚上又是很冷(最低可達(dá)-173℃),，如果水星表面可以比照地球天氣條件的話，那麼,，水星上的金屬鉛,、錫、鋅都有可能是液態(tài)的,，因?yàn)檫@三種金屬的熔點(diǎn)都低於423℃,，假如要在水星上比賽投擲鉛球的話，可能要在晚上比較適合,，否則就改為「潑鉛液」比賽了,。(但請(qǐng)注意，這是用地球的條件來(lái)做比方,，方便大家了解罷了,，真正的水星表面沒(méi)有大氣層，有可能金屬的熔點(diǎn)更低許多,？)

□水星指北針,？

早期的科學(xué)家不曾懷疑水星擁有磁場(chǎng)，他們認(rèn)為：因?yàn)樗呛苄?，它的核心長(zhǎng)久以來(lái)都是堅(jiān)硬的,。從行星熔融核心的導(dǎo)電率及其自轉(zhuǎn)造成的電動(dòng)機(jī)效應(yīng)產(chǎn)生磁場(chǎng)的理論來(lái)看，擁有磁場(chǎng)意味著行星的核心含有鐵,，並且至少一部份是熔融的,。水手十號(hào)證明水星的磁場(chǎng)約為地球磁場(chǎng)強(qiáng)度的1%，此磁場(chǎng)與水星的自轉(zhuǎn)軸大約傾斜7度,，並且形成一個(gè)環(huán)繞行星的磁氣圈,，水星磁場(chǎng)的來(lái)源可能是行星內(nèi)部中部分熔融的鐵核,，或是磁鐵礦殘餘的磁性，行星早期具有很強(qiáng)的磁性,，冷卻變硬後會(huì)在巖石上殘留一些磁性,。

甚至在水手十號(hào)之前，水星已知有很高的密度(5.44g/cm³),，與地球的密度5.52 g/cm³相當(dāng),，在未被壓縮的狀態(tài)下，水星的密度達(dá)到5.5 g/cm³,，而地球只有4.0 g/cm³,，水星如此高的密度意謂著行星之中有60%到70%的重金屬，另外的30%是重的矽酸鹽,，如此可以推測(cè)得核心的半徑約為行星半徑的75%,，那麼核心的體積約佔(zhàn)行星體積的42%。

□水星有水嗎,？

水星不會(huì)存在任何形式的水,。它有非常稀薄的大氣，整天都非常的熱,，但在1991年,，加州理工學(xué)院(Caltech)的科學(xué)家轉(zhuǎn)播來(lái)自水星的無(wú)線電波，發(fā)現(xiàn)北極有一個(gè)不尋常的亮點(diǎn),，這樣的現(xiàn)象可以被解釋為北極有冰存在,，或者就在表面之下。但是水星可能有水嗎,？因?yàn)樗堑淖赞D(zhuǎn)軸幾乎垂直於它的軌道面(赤道傾角0度),，北極所見(jiàn)到的太陽(yáng)都恰在地平線之上，隕石坑的裡面永遠(yuǎn)不會(huì)照到太陽(yáng)光,，科學(xué)家猜測(cè)它們可能維持在-161℃以下的低溫,，這些極冷的溫度可以阻止水從行星表面昇華，或者因?yàn)殄缧堑淖矒羲鶐?lái)冰,，雖然這些沉積的冰可能被一層灰塵蓋住，但仍能傳回明顯的雷達(dá)波,。

表三  水星物理表

第二節(jié)  水星凌日

「凌日」的現(xiàn)象就是從地球觀察太陽(yáng)時(shí),，行星經(jīng)過(guò)太陽(yáng)與地球之間，看起來(lái)會(huì)像一個(gè)小圓的黑點(diǎn)經(jīng)過(guò)太陽(yáng)盤(pán)面的現(xiàn)象,，凌日是非常罕見(jiàn)的天文現(xiàn)象,，以水星來(lái)講，平均一個(gè)世紀(jì)會(huì)發(fā)生13次的水星凌日,，金星則更為罕見(jiàn),，1882年發(fā)生金星凌日，接著就是2004年6月8日，下一次是2012年的6月6日,，隨後就必須等到2117年的十二月了,。水星和金星的軌道都在地球軌道之內(nèi)，我們稱此二行星為內(nèi)行星,，當(dāng)此二行星的位置與地球的位置處?kù)丁赶潞稀?下合指內(nèi)行星介於太陽(yáng)與地球之間)時(shí),，並且位於昇交點(diǎn)或降交點(diǎn)附近，也就是水星位於黃道面上附近時(shí),，便有可能發(fā)生「凌日」的現(xiàn)象,。目前的水星凌日都發(fā)生在五月初或十一月初，因?yàn)樗窃谶@兩個(gè)月初之時(shí),，才有可能與地球同時(shí)經(jīng)過(guò)黃道面附近的昇交點(diǎn)或降交點(diǎn),。從1601年到2300年的七百年中，共發(fā)生水星凌日94次,，其中五月份的水星凌日有31次,，十一月的水星凌日有63次。

        表四：水星凌日的月份統(tǒng)計(jì)表

水星軌道的離心律e = 0.2056,；造成水星離太陽(yáng)的距離從4600萬(wàn)公里到7000萬(wàn)公里的大差距,；近日點(diǎn)速率(59.0 km/sec)比遠(yuǎn)日點(diǎn)速率(38.9 km/sec)快了將近一半；並且軌道傾角達(dá)到7度之鉅,。

五月份水星凌日時(shí),，太陽(yáng)直徑是1902弧秒，水星的直徑卻只有12弧秒,，只有太陽(yáng)的1/158(水星的實(shí)際大小則只有太陽(yáng)的1/285),；而十一月份水星凌日時(shí)，太陽(yáng)直徑是1937弧秒,，水星的直徑卻只有10弧秒,，只有太陽(yáng)的1/194，水星看起來(lái)更小了,。

□水星凌日有五種系列

我們可以從表四所列的水星凌日日期來(lái)做一次歸納,，應(yīng)該可以發(fā)現(xiàn)它的規(guī)律性，水星凌日相隔的期間有好幾種：3.5年,，7年,，9.5年，10年或13年,，這是因?yàn)樗堑拈L(zhǎng)橢圓軌道(e=0.2056)而顯得複雜,，較短的週期是好幾個(gè)水星與地球之間較長(zhǎng)諧波(harmonics)所造成的結(jié)果，而13年的週期比較特別,，因?yàn)樗麕缀跽檬撬抢@太陽(yáng)公轉(zhuǎn)週期的54倍,，比完美的預(yù)測(cè)值只差2.01天,；較長(zhǎng)的33年週期(10+10+13)也是出奇的完美，因?yàn)樗人枪D(zhuǎn)週期的137倍只少了1.67天,，如果把13年和33年的週期加起來(lái)一起看,，46年的水星凌日週期和水星公轉(zhuǎn)週期的關(guān)係就更為密切了，因?yàn)?6年的週期只比水星公轉(zhuǎn)週期的191倍多了0.34天,。下表可以引導(dǎo)你了解這些關(guān)係,，請(qǐng)完成下表。

表三：水星凌日週期的學(xué)習(xí)表(請(qǐng)自行依序填入數(shù)據(jù),，最終歸納出一些規(guī)則)

完成了上表之後,，雖然小數(shù)點(diǎn)的準(zhǔn)確度仍然有進(jìn)步的空間，但也已經(jīng)能夠看得出來(lái)水星凌日的週期性了,。

水星凌日可以分成幾個(gè)系列(附表三的最後一欄),，每一個(gè)系列中兩次凌日的間隔是16,802天即46年，46年是13年和33年的和,，我們?nèi)绻?6年來(lái)作為一個(gè)單位,，那麼1957年、2003年和2049年的水星凌日是一個(gè)系列,；1960年,、2006年和2052年的水星凌日則是另一個(gè)系列，五月份的水星凌日大約都發(fā)生在水星通過(guò)遠(yuǎn)日點(diǎn)後一個(gè)月,，所以運(yùn)行的速度很慢,，每一次的凌日的相對(duì)位置大約有200弧秒的改變，很快地向後延遲,；對(duì)照來(lái)講,，十一月份的水星凌日發(fā)生在水星到達(dá)近日點(diǎn)之前幾天，運(yùn)行的速度很快,，每一次凌日的相對(duì)位置大約只有100弧秒的改變,，水星凌日十一月系列的循環(huán)週期長(zhǎng)度大約是五月系列的兩倍。例如第八系列(十一月位於昇交點(diǎn))從1776年起到2604年止一個(gè)循環(huán)計(jì)19次水星凌日共花費(fèi)828年,；而第九系列(五月位於降交點(diǎn))從1957年到2371年一個(gè)循環(huán)計(jì)10次水星凌日花了414年,。在任何時(shí)間，可能同時(shí)有六個(gè)凌日系列在進(jìn)行,，但是因?yàn)槭辉孪盗谐掷m(xù)時(shí)間是五月系列的兩倍,，所以發(fā)生在十一月的凌日次數(shù)是五月的兩倍。水星凌日的系列週期儘管不同,，在每一個(gè)系列所發(fā)生的事件也不一樣多,，但卻很像日月食的沙羅(saros)週期,。

表三：1999年到2098年的水星凌日

1999年到2098年的水星凌日

Transit Contact Times (UT)

Transit Date     I      II   Greatest   III     IV     Sep.   RA     Dec    GST   Series

        h:m     h:m     h:m     h:m     h:m      "       h        °       h

1999 Nov 15   21:15   21:30   21:41   21:52   22:07   963.0   15.379  -18.54    3.635    2

2003 May 07   05:13   05:17   07:52   10:27   10:32   708.3    2.926   16.73   14.983    9

2006 Nov 08   19:12   19:14   21:41   00:08   00:10   422.9   14.925  -16.73    3.196    8

2016 May 09   11:12   11:15   14:57   18:39   18:42   318.5    3.130   17.58   15.190    7

2019 Nov 11   12:35   12:37   15:20   18:02   18:04    75.9   15.098  -17.45    3.366    6

2032 Nov 13   06:41   06:43   08:54   11:05   11:07   572.1   15.274  -18.14    3.535    4

2039 Nov 07   07:17   07:21   08:46   10:12   10:15   822.3   14.822  -16.27    3.095   10

2049 May 07   11:03   11:07   14:24   17:41   17:44   511.8    3.000   17.04   15.058    9

2052 Nov 09   23:53   23:55   02:29   05:04   05:06   318.7   14.996  -17.02    3.265    8

2062 May 10   18:16   18:20   21:36   00:53   00:57   520.5    3.206   17.88   15.265    7

2065 Nov 11   17:24   17:26   20:06   22:46   22:48   180.7   15.170  -17.73    3.435    6

2078 Nov 14   11:42   11:44   13:41   15:37   15:39   674.3   15.345  -18.41    3.605    4

2085 Nov 07   11:42   11:45   13:34   15:24   15:26   718.5   14.893  -16.58    3.165   10

2095 May 08   17:20   17:24   21:05   00:47   00:50   309.8    3.075   17.35   15.133    9

2098 Nov 10   04:35   04:37   07:16   09:56   09:57   214.7   15.066  -17.31    3.335    8

□特殊的水星凌日

有時(shí)候水星凌日時(shí),，水星只是切過(guò)太陽(yáng)盤(pán)面的邊緣,，這個(gè)時(shí)候，如果地球的某個(gè)區(qū)域可以看見(jiàn)全部的水星凌日過(guò)程,，其他區(qū)域就有可能看見(jiàn)水星的「偏凌」(水星只有一部分進(jìn)入太陽(yáng)盤(pán)面),，是非常特殊的現(xiàn)象，1999年11月15日的水星凌日就是這樣,，上一次就發(fā)生在西元743年10月28日,，下一次將發(fā)生在2391年5月11日；還有一種特殊的水星凌日是地球上一部分地區(qū)可以看見(jiàn)「水星偏凌」的天象,，另一部分地區(qū)看不見(jiàn)水星凌日,，1937年5月11日的水星凌日就是這樣，更早一次發(fā)生在1342年10月21日,，下一次將發(fā)生在2608年5月13日,。以上兩種水星凌日是因?yàn)榈厍虼笮〉年P(guān)係，南半球如果看見(jiàn)水星切過(guò)太陽(yáng)南邊的邊緣,，北半球的人觀察這個(gè)現(xiàn)象的角度就太高了,，也就是看不見(jiàn)水星凌日了。

第三節(jié)  2006年11月9日的水星凌日

最後來(lái)介紹這一次的水星凌日,。此次臺(tái)灣可見(jiàn)「日出帶凌」的水星凌日,，也就是太陽(yáng)出來(lái)之前，就已經(jīng)開(kāi)始水星凌日了,，雖然天還沒(méi)有亮就得早起觀測(cè),，但非常罕見(jiàn)特別，值得作為觀測(cè)的主題,。採(cǎi)用天文望遠(yuǎn)鏡間接觀測(cè)水星凌日的方法,，可以看見(jiàn)太陽(yáng)盤(pán)面上有一顆小圓黑點(diǎn)慢慢地由左下方向右上方通過(guò)(如圖) ，是因?yàn)榻衲甑乃橇枞帐鞘辉路莅l(fā)生在升交點(diǎn)附近(從地球望去,，水星軌道的右半部向上翹,，左半部則向下)。水星凌日的路徑大約在太陽(yáng)盤(pán)面下半圓的中間位置,，食甚時(shí)離太陽(yáng)圓盤(pán)的中心423弧秒,，向右上方傾斜的角度大約就是水星軌道的傾斜角7度。往後同一系列的水星凌日的路徑會(huì)逐年向上升高,，漸漸接近太陽(yáng)盤(pán)面的中心,；當(dāng)然發(fā)生於降交點(diǎn)的五月水星凌日，就會(huì)逐漸向下移動(dòng)路徑,，接近太陽(yáng)中心,。

這一次水星凌日「食的要素」如下表，

表四  2006年11月9日水星凌日凌的要素

表五  2006年11月9日水星凌日臺(tái)灣預(yù)報(bào)

註：上面二表摘錄自2006天文年鑑(臺(tái)北市立天文科學(xué)教育館出版)

上面二表的說(shuō)明如下：

一,、  赤經(jīng)：太陽(yáng)與水星的赤經(jīng)相同(請(qǐng)注意臺(tái)北市立天文教育館出版的2006天文年鑑第170頁(yè)水星的經(jīng)度與每小時(shí)移動(dòng)的距離，可能是印刷時(shí)印錯(cuò)了,？),，也就是說(shuō)：太陽(yáng)、水星,、地球三者排成一直線,，從地球向太陽(yáng)望去，才會(huì)發(fā)現(xiàn)水星的影像就在太陽(yáng)的臉上,。

二,、  赤緯：水星的赤緯比太陽(yáng)的中心位置還低，但因?yàn)榈偷慕嵌戎挥?’47”不大於太陽(yáng)的半徑(視半徑16’08”.72),，所以還在太陽(yáng)的盤(pán)面上,，造成凌日的現(xiàn)象(這是以地心與日心作標(biāo)準(zhǔn))。然而7’47”相當(dāng)於467”,，為什麼表五說(shuō)423”呢,？由於最近日心的時(shí)間是清晨5h41m，使得臺(tái)灣當(dāng)時(shí)的位置在太空中的位置比地心還要低(黃道南方),，看起來(lái)的角度就應(yīng)該要小一點(diǎn)點(diǎn),。

三、  太陽(yáng)移動(dòng)的角度：太陽(yáng)每小時(shí)的移動(dòng)角度可以如此考慮,，每年繞全天一周的經(jīng)度分為24小時(shí)(每小時(shí)60分,，每分60秒)，全部換成秒的話,，就有86400秒,，除以365.2422天之後，就是太陽(yáng)每天移動(dòng)的角度,，再除以24小時(shí)的話,，每小時(shí)移動(dòng)9.86秒，而這些「時(shí)」「分」「秒」為了與時(shí)間上的時(shí),、分,、秒有所區(qū)別，通常都在前面增加一個(gè)「弧」字,，成為「弧分」「弧秒」了,。又，為什麼太陽(yáng)的移動(dòng)角度是10.04弧秒,，而不是9.86弧秒呢,？那是因?yàn)榈厍蚬D(zhuǎn)的速率有快有慢，太陽(yáng)相對(duì)地球的運(yùn)動(dòng)亦然，11月9日地球已經(jīng)過(guò)了「秋分」,，比較接近「近日點(diǎn)」,，因此會(huì)越來(lái)越快。

四,、  水星移動(dòng)的角度：你會(huì)先發(fā)現(xiàn)一個(gè)負(fù)號(hào)，代表從地球看去時(shí),，水星由東向西移動(dòng),，而太陽(yáng)是由西向東每天移動(dòng)1度(從地球觀察)，使不動(dòng)的星星感覺(jué)每天提早4分鐘東昇,。至於為何是-12.23弧秒,，有一點(diǎn)複雜，先當(dāng)作作業(yè)吧﹗

□水星凌日的觀測(cè)

水星凌日的觀測(cè)方法大致與太陽(yáng)黑子的觀測(cè)方法相似,。在此建議學(xué)校教師以「間接觀測(cè)法」為主,，因?yàn)殚g接觀測(cè)除了安全性比較高以外，還可以方便做紀(jì)錄,，讓若干學(xué)生同時(shí)進(jìn)行觀測(cè),，而直接觀測(cè)法(從天文望遠(yuǎn)鏡的目鏡直接觀察太陽(yáng)的影像)通常需要良好的減光，相對(duì)的也會(huì)造成相當(dāng)?shù)奈ｋU(xiǎn)與不便,，例如忘了附加減光鏡,，或是減光鏡因?yàn)檫^(guò)熱而破裂，如此的方式一次只能容許一位同學(xué)觀察(不方便教學(xué)),，並只能以照相的方式進(jìn)行紀(jì)錄,，相較之下採(cǎi)用「間接觀測(cè)」的方式應(yīng)比較適當(dāng)。因?yàn)樗堑闹睆街挥刑?yáng)的1/194,，因此建議望遠(yuǎn)鏡的放大倍率至少要50倍以上,。還有，今年的水星凌日在臺(tái)灣可見(jiàn)「日出帶凌」,，也就是日出時(shí)已經(jīng)開(kāi)始凌日了,，因此，觀測(cè)地點(diǎn)的選擇最好是在臺(tái)灣東海岸的海邊,，例如花東地區(qū)的海邊(例如小野柳,、三仙臺(tái)等)，墾丁地區(qū)則以「龍磐公園」為最佳,。又因?yàn)槿粘鲋熬捅仨毻瓿捎^測(cè)的準(zhǔn)備,，離居住處所(飯店)近的考量也是重要的。

觀測(cè)今年的水星凌日時(shí),，望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該是水平的,，因?yàn)樘?yáng)就在東方地平線上不遠(yuǎn)處，間接觀測(cè)時(shí)可以在目鏡之前增加一個(gè)稜鏡接頭,，將太陽(yáng)的影像投影到鋪在地面上的投影板,，甚是方便,，否則垂直的投影板應(yīng)該會(huì)有些不方便吧？

至於研究的方向,，當(dāng)年的哈雷用它來(lái)測(cè)量行星到太陽(yáng)的距離,，測(cè)量水星與太陽(yáng)大小的比例，進(jìn)而推論行星到太陽(yáng)的距離,，紀(jì)錄水星凌日的過(guò)程也可以知道水星運(yùn)行的速率,。然而這些數(shù)據(jù)在紀(jì)錄的時(shí)候，通常會(huì)受到「黑滴現(xiàn)象」的影響很大,，科學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為這是因?yàn)榻鹦谴髿鈱釉斐傻默F(xiàn)象,，但是後來(lái)又發(fā)現(xiàn)：沒(méi)有大氣層的水星也有黑滴現(xiàn)象，我的好朋友林明良老師及其公子林省文先生(就讀中央天文研究所)進(jìn)行研究的結(jié)果,，認(rèn)為是基本的光學(xué)繞射現(xiàn)象,，也為文發(fā)表在臺(tái)北市立天文館出版的天文學(xué)刊中。

教學(xué)的主題除了顯示水星與太陽(yáng)大小的比例之外,，黑滴現(xiàn)象與水星運(yùn)動(dòng)速率,，都是不錯(cuò)的教學(xué)主題，包含太陽(yáng)黑子的紀(jì)錄過(guò)程也都可以一併練習(xí),。