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哥白尼沒見過水星？觀測水星的最好時間( 二 )


大距時水星和太陽的角距離，稱為“距角”。因為橢圓軌道的關(guān)系，水星大距時的距角并不恒定，最大可達(dá)28.3度，最小只有18度。這里容易混淆的是，18度是距角的最小值，不是水星和太陽角距離的最小值。角距離完全可以小到0度，“水星凌日”時就是如此。借用數(shù)學(xué)上的概念，距角就是角距離函數(shù)的局部“極大值”。
水星大距可以發(fā)生在一年中的任何時候。由于水星和地球的軌道都比較固定（即近日點進(jìn)動短期內(nèi)不明顯），所以某個日期發(fā)生大距時，距角應(yīng)該是個固定的值。也就是說，只要是在這天發(fā)生的大距，距角都基本相等，我們可以結(jié)合圖2仔細(xì)思考一下其中的道理。在圖3中，我們統(tǒng)計了2000~2020年間水星大距發(fā)生的日期和當(dāng)時的距角，可見它倆的確是一一對應(yīng)的。發(fā)生在3月下旬的西大距或者8月中下旬的東大距，距角最大。發(fā)生在2月下旬的東大距或者9月中下旬的西大距，距角最小。
南半球條件更佳
角距離與前面提到的“夾角”，共同決定了日出、日落時水星的地平高度。其中夾角的影響更大一些。
距角是角距離的極大值，它只和日期有關(guān)，和緯度無關(guān)，所以它實際上限制了給定日期水星高度的最大值。如圖3所示，以9月21日秋分日為例，水星東大距的距角為26.5度左右。無論我們在哪兒觀測，日落時水星的地平高度都不可能超過26.5度。我們不妨用一根棍子的高度來類比水星高度：距角相當(dāng)于棍子的長度，無論棍子在地平面上怎么擺放，它的高度都只能小于等于長度。

哥白尼沒見過水星？觀測水星的最好時間
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圖32000~2020年水星大距情況統(tǒng)計。橫坐標(biāo)為大距發(fā)生的日期，縱坐標(biāo)為大距時的距角，單位為度。橙色數(shù)據(jù)點為東大距（昏星），藍(lán)色數(shù)據(jù)點為西大距（晨星）。距角限制了水星高度的最大值。例如1月4日，無論在哪兒觀測，無論“夾角”取值如何，日落時水星的地平高度都不可能超過19.5度。數(shù)據(jù)來源：《天文愛好者》歷年增刊。
“夾角”相當(dāng)于指定了棍子的傾斜角度，它不僅和日期有關(guān)，還隨緯度變化，最終決定了給定日期、給定地點的水星高度的最大值。還是以9月21日為例，日落時在赤道上觀測，此時“夾角”為67.5度，水星高度最大可以達(dá)到26度；而在北京觀測，因為日落時的“夾角”只有27.5度，水星最高也不會過超13度。用棍子類比的話，也就是在同一天，對同一根棍子，不同緯度要求不同的擺放角度，結(jié)果各地所見的高度也都不相同。
如果“夾角”最大時正好碰上距角比較大，那么水星的地平高度就比較高（注：水星的公轉(zhuǎn)軌道面并不完全重合于黃道面，而是還有7度的夾角，這會增加問題的復(fù)雜性，不過對結(jié)果影響不大）。這樣兩全其美的情形恰好發(fā)生在南半球。距角最大的西大距發(fā)生在3月下旬，此時水星是晨星，并且正好碰上南半球大部分地區(qū)日出時的夾角最大，水星可以比較高。而在北半球，3月下旬日出時夾角最小，兩相疊加，水星的地平高度仍然很低。發(fā)生在8月下旬的東大距也是如此。
表2 日落時，不同緯度處水星地平高度的最大值。緯度越高，水星越低；南半球高于北半球。數(shù)據(jù)來源：利用stellarium軟件統(tǒng)計得出。
在北半球總是大距角碰上小夾角，而南半球能趕上大距角加大夾角，所以總體而言，南半球看到的水星可以更高。如表2所示，在南半球中緯地區(qū)，日落時刻水星大距時的地平高度最大可達(dá)27度左右。而在北半球中緯地區(qū)，最大高度基本在21度上下。而且越往北，水星高度越低，觀測難度越大。哥白尼所在的波蘭，水星全年都不到17度，再加上天氣多霧，確實不容易見到它。
哪天觀測水星最好？
我國的大部分地區(qū)，一年通常只有2～3次最佳的水星觀測機會。分別是：發(fā)生在3月底到6月初之間的東大距，最好是5月中下旬的東大距。這時水星是昏星，可以在傍晚時向西方天空去尋找；以及發(fā)生在9月初到 12月初之間的西大距，最好是10月中下旬的西大距。這時水星是晨星，要在黎明時向東方尋找。

哥白尼沒見過水星？觀測水星的最好時間
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圖4 北京地區(qū)水星大距當(dāng)天日落時刻，水星的地平高度（2000年-2050 年）。數(shù)據(jù)提供：北京天文館 曹軍
以北京地區(qū)為例，總體而言，如果我們想在日落時看到水星，1~7月的機會更好，后半年條件較差。如圖4所示，8月到12月這段時間日落時水星的地平高度最大也不到15度，尤其是9月中旬到整個10月，最高時也只在10度左右徘徊，基本上無法見到。晨星正好相反，從2月到6月都很低，最好選在下半年觀測。5月中下旬的昏星，水星最高可達(dá)20度左右，為全年昏星之最；10月中下旬的晨星，高度最大可達(dá)18度左右，為全年晨星之最。其他時候高度更低、觀測難度更大。例如2020年2月10日水星東大距，日落時地平高度在16°左右。注意，并不是說5月和10月的水星就一定會比較高，還需要恰逢大距才行。如果當(dāng)時水星處于上合或下合附近，那就只能靜待來年了。另外，水星最高并不一定發(fā)生在大距當(dāng)天，可能提前或推遲一天左右。

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