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哥白尼沒見過水星？觀測水星的最好時間

水星

哥白尼沒見過水星？觀測水星的最好時間
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提起水星，可能很多人都會想到哥白尼。有不少文章都用“哥白尼一輩子都沒見過水星”，來說明水星觀測的不容易。的確，哥白尼在《天體運行論》中，對于金星、火星等使用的都是他自己的觀測數(shù)據(jù)，只有水星用的是同時代其他天文學家的數(shù)據(jù)。說他沒見過水星，可能失之武斷，不過有一點可以肯定：哥白尼見到水星的機會并不多。
水星之所以不那么容易看到，主要是因為它離太陽的角距離太近，總是被淹沒在明亮的陽光里。水星到太陽的平均距離為0.387個天文單位，它和太陽之間的角度最大不超過28.3°，這意味著它常常會在天還沒有完 全黑下來時就已落山，或者剛從地平線上升起沒多久，天就已經(jīng)大亮。只有在天色見黑時，水星仍具有比較大的地平高度，才有利于觀測。這時不僅可觀測的時間更長，而且受大氣擾動、消光的影響也更小。
下面我們就來分析一下在日出/日落時水星的地平高度，并以此來判斷什么時候觀測水星最好。
“夾角”影響水星高度

哥白尼沒見過水星？觀測水星的最好時間
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圖1北回歸線以北，日出前或日落后，黃道和地平的夾角示意圖。如果日落時黃道和地平的夾角很小，那么即使水星離比較遠，它的地平高度也有限。反之，如果夾角比較大，就算水星離太陽略近一些，它仍然可能具有更大的高度。
水星常伴太陽左右，它的地平高度自然也和太陽的位置有關。我們知道太陽系的八顆行星基本在同一個平面上繞日公轉(zhuǎn)，這就是黃道面。“黃道”是太陽在星空背景中運行的軌跡，包括水星在內(nèi)的行星基本上都沿著黃道運動。我們常說的黃道十二宮，就分布在黃道帶上。
黃道是一個大圓，它和我們的地平圈有兩個交點，并形成一個夾角。由于地球在自轉(zhuǎn)，黃道和天體都在從東向西做視運動，交點的位置和夾角的大小每時每刻都在變化。對水星觀測而言，我們關心的是在日出或日落的時刻，這個夾角有多大。為表述方便，下文把這個時刻的夾角簡稱為“夾角”。如圖1所示，因為水星位于黃道附近并且總是離太陽不遠，夾角大時它才有可能出現(xiàn)在較高的天空。反之如果夾角很小，它將與黃道一起傾斜著“躺”在地平附近，高度就不容樂觀了。
表1 日出、日落時黃道與地平圈的夾角取最大、最小值的日期。
每天日出（或日落）的時刻，黃道和地平的夾角都有所不同，并且在一年之中呈周期性變化。如表1所示，在北回歸線以北的地區(qū)，春分（3月21日前后）日落和秋分（9月21日前后）日出時的夾角最大，春分日出和秋分日落時的夾角最小。
南回歸線以南正好相反，春分日出和秋分日落的夾角最大，春分日落和秋分日出的夾角最小。夾角的具體數(shù)值與地理緯度有關，緯度越高，夾角越小。在北京（北緯40度），夾角在26.5～73.5度之間。在哥白尼生活的波蘭（約為北緯52度），夾角最大時為61.5度，最小僅為14.5度。只有在南北回歸線之間的區(qū)域，夾角才可能達到90度，具體日期和緯度有關。
“距角”也是重要因素
“夾角”最大的日子，水星就最高嗎？答案是否定的。還要看此時水星離太陽的角距離是否夠大，如圖1所示，如果它們離得太近，水星高度依然有限。

哥白尼沒見過水星？觀測水星的最好時間
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圖2 水星、地球的公轉(zhuǎn)示意圖，軌道數(shù)據(jù)按比例。它們的相對位置從下合再回到下合，所經(jīng)歷的時間叫作會合周期。水星的會合周期是所有行星中最短的，平均為116天。另外，由于水星的公轉(zhuǎn)軌道比較扁，大距時，它與太陽之間的角距離相差較大，從18度到28度不等。為醒目起見，圖中添加了參考網(wǎng)格。
水星和太陽的角距離，取決于水星、地球的相對位置。在它們圍繞太陽公轉(zhuǎn)的過程中，會出現(xiàn)四個值得注意的相對位置。如圖2所示，分別是下合，西大距，上合，東大距。上、下合發(fā)生在水星和太陽位于視線同一方向時，從上合（或其他位置，例如下合、東大距等）再回到上合（或這個位置）所經(jīng)歷的時間，就是水星的“會合周期”，平均為116天。東、西大距就是在一個周期中，水星和太陽角距離最大的時刻。東大距時，水星是昏星，西大距時是晨星。由于行星的公轉(zhuǎn)軌道都不是完美的正圓，其中又以水星軌道最扁，它離太陽最遠的時候比最近的時候遠了50%。這使得情況復雜起來。

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