[科普中国]-这种天象，你的一生只能看见两次

图1 2004年金星凌日串象（图片来源： http://apod.nasa.gov/apod/ap040608.html）

“百年一遇”是媒体在报道天文现象时最喜欢用的定语，无论是日食月食还是流星雨，似乎都能和这个词搭配。当然，这基本都是标题党们所使用的伎俩。那么有没有一种天象能够真正配得上这个词呢？答案是肯定的，它就是我们这次要介绍的主角——金星凌日。
什么是金星凌日？

图2 地球和金星公转轨道示意图（图片来源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transit_diagram_angles.png）

如果按照距离太阳的远近来排序，地球在大行星里可以排到老三。比地球更靠近太阳的是金星和水星，它们的公转轨道位于地球的内侧，因此天文学家也称它们为“内行星”。当地球、内行星和太阳的位置严格的位于一条直线上时，由于强烈的亮度反差，我们会发现内行星像一个小黑点一样在日面上缓缓移动，这就是凌。如果通过日面的是金星，那么就称之为“金星凌日”，除此之外当然还有水星凌日。
“金星凌日”的全程一般会持续几个小时，和日全食类似，凌的全过程也由几个特殊的时刻所分割。最初发生的是凌始外切，也就是金星的视圆面和太阳的视圆面相外切。接着是凌始内切，标志着完全进入日面。然后是凌甚，代表金星距离日面中心最近的时刻。以此类推，凌终内切、凌终外切就很好理解了。

图3 2012年金星凌日过程示意图（图片来源： http://eclipse.gsfc.nasa.gov/OH/transit12.html）

金星凌日的观测历史
金星作为亮度最高的一颗行星，在许多古代文明中都留下了印记。不过或许是因为观测难度和发生频率的原因，他们并没有留下对于金星凌日的可靠记录。
17世纪初开普勒（Johannes Kepler）根据第谷（Tycho Brahe）的观测数据对1631年的金星凌日做出了预测，然而这次凌日在欧洲并不可见，所以没有天文学家能够对此进行验证。直到8年后，一位名叫霍罗克斯（Jeremiah Horrocks）的英国年轻天文学家纠正了开普勒计算的错误，预言并成功观测了1639年的金星凌日，他也因此成为第一个对金星凌日进行科学记录的人。

图4 霍罗克斯通过望远镜将太阳的像投影在一张纸上进行观测（图片来源： http://dioi.org/kn/venustransit.htm）

金星凌日有多罕见？

图 5 2000CE到3000CE之间发生的金星凌日（图片来源：http://eclipse.gsfc.nasa.gov/transit/catalog/VenusCatalog.html）

金星凌日可以算得上是太阳系内最罕见的周期现象之一了，它发生的时间也是有着独特的规律。不妨仔细观察一下本文所附的这张近1000年内的金星凌日数据表，细心的读者一定可以发现，相邻的两次金星凌日可以分为一组，组内间隔时间是八年，而两组之间的间隔时间则超过一百年。所以对于绝大多数人来说，一辈子能够赶上两次已经是非常幸运的事情了。
本世纪的两次金星凌日发生在2004年和2012年，如果你不幸错过了的话，就要等到2117年9月11日了。显然，除非生命科学出现革命级的突破，下一次金星凌日和我们就没有什么关系了。
金星凌日的科学意义
金星凌日之所以引起天文学家们的注意，不仅仅因为它是两个天体之间的美妙相会，更重要的是它具有重要的科学意义。1761年，俄罗斯科学家罗蒙诺 索夫（Ломоносов）在观测时发现，金星在进入日面的过程中，它的表面会出现一层很薄的亮环。经过仔细的分析，他指出，这是金星的大气层折射太阳光产生的现象。这不仅证明了金星存在大气，也使金星凌日成为研究其大气层组成的重要途径。

图 6 由日出卫星（Hinode）拍摄的金星凌日影像，金星左缘的亮边就是它的大气层（图片来源：
http://www.nasa.gov/feature/goddard/scientists-study-venus-atmosphere-through-transit）

不过，金星凌日最重要的科学意义还是它对于测量日地距离的贡献。日地距离也被称作天文单位（AU），是天文学最基本的距离单位，也可以说是人类理解这个宇宙空间最重要的一把尺子。通过视差法（Parallax）可以在金星凌日的过程中测量出日地距离。这种方法的原理是十分简单的，但是要求至少有两组处于不同维度的观测者同时对一次凌日的过程进行精确地计时。1639年霍罗克斯和他的朋友就已经尝试了这种方法，不过他们得出的结果精度较低，影响力也有限。

图 7 哈雷关于视差法的论文（图片来源：
http://www.nytimes.com/slideshow/2012/05/29/science/space/20120529-VENUS.html）

1678年，埃德蒙·哈雷（Edmond Halley）提议通过观测金星凌日来测量日地距离，此举引起学界的广泛响应，也由此开始一场持续了两百年的伟大征程。数只考察队分赴全球各地开展观测，其间花费了巨大的人力物力，甚至有人为此献出了宝贵的生命。根据1882年的金星凌日，美国天文学家西蒙·纽康（Simon Newcomb）得出了1.4959亿公里（±0.31百万公里）的数值，这已经是一个非常精确的结果了。19世纪末期，随着无线电的遥测技术的发展（Radio telemetry），天文单位的测量精度大幅缩小到了±30米，行星视差法终于退出了历史的舞台。
参考资料
http://dioi.org/kn/venustransit.htm
http://eclipse.gsfc.nasa.gov/transit/catalog/VenusCatalog.html 金星凌日周期
http://eclipse.gsfc.nasa.gov/OH/transit12.html 2012年金星凌日和历史
https://en.wikipedia.org/wiki/Transit_of_Venus
http://www.exploratorium.edu/venus/question4.html AU的计算
http://www.nasa.gov/feature/goddard/scientists-study-venus-atmosphere-through-transit 金星大气层