上一期我们介绍了关于月食的一些基础科学知识（【备战月全食科普系列#1】关于月食，你不可不知的那些事），我们谈到在最精彩的月全食的全食阶段，由于地球大气层对日光的散射折射，月球会呈现出美丽迷人的“红月亮”奇观。

除了尽情的用自己的肉眼观测欣赏外，天文爱好者们还使用相机甚至手机拍摄各类绝美的月食照片、制作“葫芦串”像及延时视频。关于观测与拍摄月食天象的方法技巧，请见以下《天文爱好者》杂志及《Sky & Telescope》杂志文章详细介绍（如 月食摄影全攻略 ， https://skyandtelescope.org/observing/celestial-objects-to-watch/observing-and-photographing-lunar-eclipses/ ），本科普系列不再赘述。

但与此同时，不满足于“浅尝辄止”的你，也许可以尝试一些可利用月食观测开展的科学实验小项目，尤其适合教师/家长带领学生/孩子一起实施，只需要好奇心与探索精神、细致认真的观察记录、比较晴朗的夜空和一些简单的设备。

1、“红月亮”颜色深浅程度的观测分级

仔细观察，你会发现在不同日期甚至同一日期不同观测地点所见月全食时出现的“红月亮”，其偏红颜色的深浅亮暗程度也是不同的。早在1860年，爱尔兰的业余爱好者玛丽·沃德曾将月亮比作天空中“一枚赤热（red-hot）的便士”；但在1963年著名的黑暗月食中，月食黯淡无光，一些观测者在全食将近过半时，走到户外都没发现月亮！

法国天文学家安德烈·丹戎（André Danjon）设计了一种沿用至今的五级标度（也称丹戎标度，Danjon scale），以助于对照来自不同观测者，甚至是不同年份或者不同文化背景的月食报告。如下所示，丹戎标度将月全食时“红月亮”的颜色分级划为0（食甚时几乎看不到月亮）至4（极其明亮的红铜色或橙色月亮）。

具体划分标准如下：

丹戎标度L值 描述

L0 非常暗的月食，月亮几乎看不见，尤其在食甚时。

L1 暗月食，呈灰色或棕色；细节较难辨别。

L2 深红色或铁锈色月食，本影中部很暗而外围较亮。

L3 砖红色月食，通常有亮或黄的本影边缘。

L4 非常亮的红铜色或橙色月食，具有非常亮的蓝色本影边缘。

上图：使用五级的丹戎标度（L值）来判断月全食期间月亮的颜色暗度（图源：Leah Tiscione / 天空与望远镜（Sky & Telescope））

这种颜色及亮度的变化与日光所透过的地球大气层中的气体分子与悬浮颗粒物成分与含量多少有密切关系。当地球的上层大气最透明的时候，就会出现明亮和多彩的月食；而当地球上发生火山喷发等现象后，其会将尘埃和气溶胶注入平流层，从而导致月食变深变暗。总之地球大气中的云层、尘埃、火山灰、光化学液滴甚至有机物质等都会对“红月亮”的“成色”产生影响，因此较为定量的对月全食的颜色与亮度进行度量，将有助于我们通过统计数据了解地球上层大气的状态。

上图：2003年5月与11月的两次月全食“红月亮”照片，其丹戎标度级别分别为L2（左）和L4（右）。（图源：Tom Ruen）

2、月食亮度的定量测量

我们还可以较为定量的监测月食期间的月球亮度变化，并比较两次相继月食的亮度差异。例如，巴西天文学家Helio C.Vital等就发现，在地球大气层几乎没有气溶胶的情况下，发生的月全食会相当明亮。而在有重大火山喷发事件后的几年内，发生的月食通常要暗得多。如在2006年10月巴布亚新几内亚拉包尔火山（Mount Rabaul）喷发后，人们甚至发现了一些暗色化的现象。

上图：2003年11月月全食期间的亮度变化监测（注意纵坐标为亮度星等负值，横坐标为距离食甚的时间） （图源：Helio C. Vital）

那么，该如何较为定量的估计月食亮度呢？天文学家与高阶天文爱好者目视获得天体亮度的方法通常是通过观察待测目标与天空亮度已知（或可查得）的行星或亮恒星，对比其亮度差异估算。但月球很大（视角径约半度）、而星星太小几乎就是个点源，并不容易直接比对。

但方法总比困难多，我们可尝试使用以下方式：如果你戴着厚厚的眼镜，可以试着把它摘下来，当看到的的月球与明亮的行星或恒星均变为大小相同的斑点后，即可通过比对获得月球亮度（相当于人眼虚焦）。还有一种更好的方法，这种方法是使用双筒望远镜非目镜的一端来观察月球（即反向从物镜端观察），并将由此观测到的亮度与未经光学辅助看到的各种明亮星星进行比较。在月球穿过地球本影的过程中，每隔一段时间做一次这样的观测记录。

上图：利用人眼虚焦（左）与双筒镜反向观测（右）方法定量测量月食亮度（逺才老师拍摄制作）。

3、地球本影大小的粗略估计与测量 对于月食发生时地球本影的大小，我们可如下简单计算（亦见下图示意）：

太阳直径约为地球的109倍，而日地距离（平均~1.5亿公里）约为地月距离（平均~38万4千公里）的400倍，这样，根据简单的相似三角形计算，我们可非常近似的估计在月球轨道处的地影直径约为地球直径的 (1-(109-1)/400) ≈ 0.73 倍，而月球直径约为地球的3/11，所以地影直径大小约为月球直径的~2.7倍。

上图：估算地影大小示意图（逺才老师编辑制作）

当然这只是一个太过简化的估计，因为日地、月地距离每次月食时都会些许变化，因此即便是简单的几何估计对于某次月食来说也需要进行实际测量来获得真正的本影大小数据。

对于地影相对于月球大小的实际测量，可以通过对程度稍大的月偏食阶段拍摄测量粗略实现，如下图所示。对月偏食阶段的照片，在地球本影投射在月面上的轮廓线上任意找三个点（图中ABC），相邻点连线（图中红实线）后分别做此两个线段的中垂线（图中黄虚线），则此两条中垂线的交点即为地影中心，以此作圆即可测出地影相对月球的大小。

上图：通过月偏食实际测量地影相对大小示意图（逺才老师编辑制作）

4、环形山计时：精确测量地球本影 早期的航海家即使身处异乡，也可通过天象计时来确定其所处的地理位置。如通过对某已知位置的恒星通过观测地最高处（中天）时间的测量，或对某特殊天象（如月食）发生的时间测量，都可以用来推算观测位置的地理经度。1504年，克里斯托弗· 哥伦布就采取了上述办法，在第四次去新大陆时记录了月食开始和结束的时间，来确定自己的位置。

然而，当天文学家试图改进这种方法时，他们很快发现，被称作本影的地球影子的黑暗中心实际上比地球本身的纯几何投影大了约2%！这是因为大气层增加了地球的有效直径，从而使本影增大，而本影的边缘往往也模糊不清。月球边缘穿越地球阴影的时间常常是不易准确测定的，而对单片深色区域和环形山（陨击坑）进入与离开阴影边缘的计时（称为环形山计时，crater timing）则反而更加准确。

利用环形山计时法测量地影扩大示意图（图源：Cooper, T. P. & Geyser, M.）

要想在月食时尝试进行上述环形山计时测量，需要使用一台60~200mm口径的小型天文望远镜，并通过网络校时使拍摄相机或记录时钟的计时精度好于0.1分钟（~5秒钟），记下本影边缘穿过（进入与离开）各标记环形山中心或其他特征物的时间。由于阴影边缘有点模糊，所以尝试判断边缘中光线最快暗下来的部分，并以此作为时间依据。

下表给出了由《天空与望远镜》（Sky & Telescope）杂志提供的可供在11月8日月食时选择观测的月面标记环形山或其他特征（如月溪等），及预测的地影进入或离开其的参考时间（均为世界时UT，+8h即为北京时间），而下图则标记了这些环形山或特征在月面的大致位置，可供观测参考。如果你进行了精确测量，可考虑将测量结果通过电子邮件发给：roger.sinnott@verizon.net 以供其收集数据进行分析。

上表：可供11月8日月食环形山计时测量用的标记环形山与其他特征，及预测的地影进入与离开其的参考时间（均为世界时UT，+8h即为北京时间）（表源：《天空与望远镜》（Sky & Telescope），翻译：山东天文翻译小组/山东天文学会）

上图：月食环形山计时测量用的标记环形山与其他特征在月面的分布位置图。（图源：《天空与望远镜》（Sky & Telescope），翻译：山东天文翻译小组/山东天文学会）

之前的大量主要由业余天文爱好者进行的月食环形山计时联测发现，每次不同的月食时的地影大小和形状也都会发生微小改变，而导致其变化的根源应与地球大气性质变化及其他一些因素都有关联。
关于环形山计时的原理与方法的详细介绍描述可参见《天空与望远镜》（Sky & Telescope）杂志相关文章（如天之文译文：“测量地球的影子”）和以下文章介绍：Herald, D. & Sinnott, R. W. “Analysis of lunar crater timings, 1842-2011”(2014, JBAA, 124, 247: https://adsabs.harvard.edu/pdf/2014JBAA..124..247H ), Cooper, T. P. & Geyser, M. “Size and shape of the umbra during a lunar eclipse”(2004, MNSSA, 63, 12: https://adsabs.harvard.edu/pdf/2004MNSSA..63...12C )

本期参考资料

https://skyandtelescope.org/observing/useful-projects-for-a-lunar-eclipse/
https://skyandtelescope.org/observing/celestial-objects-to-watch/observing-and-photographing-lunar-eclipses/

下期预告

在下一期我们将详细介绍即将于11月8日傍晚上演的精彩“月全食”，及伴随其发生的“千年难遇”之“月掩天王星”天象的详细具体信息，特别是在威海及山东省内的详细见食与见掩情况和欣赏观测提示等，干货满满，敬请期待！

（出品：山东天文学会、山东天文翻译小组，作者编辑：逺才老师）

来源: 山东天文学会