[科普中国]-沙罗周期

简介

沙罗周期是日食和月食的周期，是指月球在它的轨道盘上运行一周（以便月球交点沿着轨道公转一周）所需的时间——223个朔望月，即223 × 29.53059 天 = 6585.32157 天，也就是18年零11.32天（如果有5个闰年就是18年零10.32天）。这是古巴比伦人对日食的观测后发现的其周期性，“沙罗”就是重复的意思。这个时间接近242个交点月（242 × 27.21222 天 = 6585.35724 天）。因为沙罗周期有0.32天的“零头”，因此必须等3个沙罗周期，才能在地球上的相似地点看到日食再次发生。世界各地在沙罗周期中的连续食，有三分之一的是通过这种方式发生的，在3个沙罗周期后，即54年零33天后，日食几乎又在相同的地理位置出现。12个不同的主要沙罗日食（Grand Saros eclipse）现在正在发生，其中一个的食分别发生在1937年、1955年、1973年、1991年和2009年，每一次食的持续时间都在7.5分钟内。

发生在降交点附近的月食，属于奇数列的沙罗序列。这种序列的第一个月食发生时，月球穿越地影的南缘，然后在每一次的沙罗周期中逐渐北移。

“沙罗”一词在拉丁语里就是重复的意思，每个沙罗周期平均约有71次交食，包括日食43次，月食28次。由于地球绕太阳和月亮绕地球的公转运动都有一定的规律，因此日食和月食的发生也具有其循环的周期性。有了沙罗周期，我们就可以预报月食了。例如1991年7月11日，发生了一次月全食，掩食带穿过拉丁美洲及太平洋地区。人们往前推18年零11天，1973年6月30日一定也发生了一次日食，那次日全食的掩食带横穿了非洲大陆。如果往后推一个沙罗周期的时间，人们就能算出2009年7月22日也将发生一次日食，这就是发生在中国长江流域的日全食。

历史发现沙罗周期是迦勒底人在西元前数个世纪发现的，后来传到了喜帕恰斯、普林尼和托勒密，但是都以不同的名称呈现。在苏美/巴比伦"SAR"这个字是测量上的单位，数值大约是3600。"沙罗"是在1691年才被爱德蒙·哈雷用来描述食的周期，而他是从11世纪的拜占庭苏达辞书转换过来的。虽然在1756年Guillaume Le Gentil指出哈雷的名称是错误的，但是这个名词仍然被继续使用着。

古巴比伦人可能是最早洞察这种规律的民族，他们很早就发现了“沙罗周期”。所谓“沙罗”，拉丁文中的原意是“重复”的意思，沙罗周期长约6585.32日，相当于18年又10.3或11.3日（视这18年中有5个还是4个闰年而定）。这就是说，它们在一个沙罗周期后，会重现当年的天象——不过，食的类型，是全食还是偏食，能够见食的地域在哪里，却总会有一些差别。例如， 1980年2月16日（春节），在中国西南发生了一次日全食；可以肯定，在6585天之前的1962年2月5日，必定也发生过一次日食——印尼的一次日全食；而那以后的6585天，即是1998年2月27日也一定有某个地方——南美洲——有一次日（偏）食，余下可以类推。

古巴比伦人当然是从长期的实际观测中，依靠经验得到这个规律的。实际上，这是2个周期——朔望月与“交点月”的公倍数问题。前者长为29.530588日；后者是月球通过它的轨道与黄道交点的周期（这是发生日月食的必要条件），约为27.212220日。经过一些换算可知：242个交点月正巧与223个朔望月的长度都是6585天。即：

27.212220 × 242 = 6585.35724

29.530588 × 223 = 6585.32157

二者仅相差不到0.036日或50分钟。显然这是非常了不起的。我国古代同样也有值得骄傲的地方，也曾提出过多种类似的日月食规律。如汉代的《太初历》中，就有一个“三统历周期”，它长135个朔望月即3986.62965日，这与146.5个交点月（3986.59023日）大致相等。在唐朝时，有位天文学家、数学家李淳风，他对日月食的预报已经十分娴熟，相传他在事先算出，贞观八年五月辛未朔（公元634年6月1日）将有一次日全食后，按规定及时上奏了朝廷，可当时唐太宗对于这位年仅32岁的“太史令”还不够信任，所以问道：“日或不蚀（食），卿将何以自处？”李淳风胸有成竹，从容回答：“如不蚀（食），臣请死之。”若不是有非常的把握，谁敢以自己的性命来作担保？当然最后的结果是一场喜剧，有惊无险，但李淳风从此声名大振，也获得了唐太宗的充分信任。

性质说明18年11天8小时的沙罗周期用来预测相同食的再度发生上非常有用，因为他和月球轨道的3种周期有关：交点月、近点月和朔望月。当食发生时，不是月球位于地球和太阳之间（日食），就是地球介于太阳和月球之间（月食），这种现象只有在新月或满月才会出现，因此决定月相变化的朔望周期，29.53天，就有关系了。但是，并不是每次的满月或新月，地球或月球的影子都能落在相对的天体上，因此食要能发生，这三个天体还必须接近在同一条线上，这种情况只会出现在月球穿越黄道面上的两个交点（升交点或降交点）之一时，月球穿越黄道面上同一个交点的周期经测定是27.21天。最后，如果食要有相同的现象和持续时间，那么这两次食的地球和月球还要有相同的距离，要出现相同距离的周期是近点月，时间间隔是27.55天。

沙罗周期的起源是223个朔望月的时间长度大约与242个交点月相似，有与239个近点月接近 (大约只相差不到2小时)。这意味着经过一个沙罗周期，月球所经历的朔望月、交点月和近点月几乎都是整数，地球、太阳和月球三者的几何关系几乎完全一样：月球在相同的交点上，有着相同的相位和与地球相同的距离。知道在某一天曾经发生一次食，则经过一个沙罗周期之际，几乎一样的食将再度发生。然而，沙罗周期 (18.031年)与月球的进动周期 (18.60年)并不相同，因此即使地球、太阳和月球三者的几何关系几乎完全一样，但以恒星为背景的月球位置仍然不同。

沙罗周期的日数包含了⅓天的分数，不是整数使得问题更为复杂。由于地球的自转使得使得经过完整的沙罗周期当天发生的食将延后约8个小时。在日食的情况下，这意味者能看见日食的区域将西移120°，或是三分之一个球面，因此在相同的地点上，每3次只能看见其中的1次。在月食的情况下，下一次的月食在相同的地点上看见月球在地平线上的时间可能是一样的长，但如果等待三次沙罗周期（54年1个月，几乎大约就是19756日）之后的月食会在当天几乎相同的时间出现，这就是所谓的3沙罗周期或exeligmos （希腊语：“转轮”）。

沙罗序列如前所述，沙罗周期根据223个朔望月、239个近点月和242个交点月，但是因为相互的关系不是完美的，相隔一个沙罗周期的两次食，在几何的关系上还是有少许的不同。实际上，太阳和月球在合时的位置在每次沙罗周期的交点仍相差了大约0.5°，这牵扯出一系列的食，而每次看见的情形都有少许的改变，称为沙罗序列。

每个沙罗序列由偏食开始，每经历一个沙罗周期，月球的路径就会向北移 (经过降交点的食) 或向南移 (经过升交点的食)。在某一个点上，食不再能够发生，这个序列就结束了。在西元前2000年至西元3000年，每个序列大约持续1226年至1550年不等，每个序列有69至87次的日食，大多数都是71或72次。每个序列有39至59次中心食（多数是43次，包括全食、环食与全环食)。月食的序列没有这么长，任何时间都有大约40个不同的沙罗序列在进行中。

无论月球在降交点或升交点 (日食或月食)，沙罗序列都以数字来编号。奇数的数字表示发生在接近升交点的日食，偶数的数字表示发生在接近降交点的日食；但在月食这种数字的搭配是相反的。沙罗序列的编号是以最大食出现，也就是最接近交点的时间来排列的。以2008年为例，共有39个 (117至155 ) 日食的沙罗序列在进行中，而月食则有41 (109至149 ) 个序列在进行中。

变化规律沙罗周期沿着时间推移

如果这3个周期每6585.322天后完全重复，日蚀便也会完全地重复在每个沙罗周期后。然而，这些周期彼此间有细微的出入，这就引起每18年的沙罗周期后日蚀发生的几何位置的改变。

值得注意的是，19执政官年减去223个朔望月大约等于11个小时。这个长达11个小时的缝隙就是沙罗周期沿着时间推迟的原因。

假如把当前日蚀记做日蚀A，把一个沙罗周期后与之对应的的日蚀记做日蚀B，在任何一个位置太阳和月球必须连成一条直线形成满月。然而，太阳在B将不会回到离月亮交点相同距离的位置上(日蚀A时太阳的的位置)。在它完成那第19个19执政官年之前它有11个小时的路程。太阳在这11个小时中以平均27分钟移动一弧度的速度移动(大约一度)，因此，日蚀B发生的位置便向西漂流0.5度(注意，日蚀发生的条件必须是太阳和月亮交点附近18度的范围内)。

因为这个半度的漂移，沙罗周期也就有了开始和结束，在70到80次连续的日蚀后才会完全和以前重合。这样，整个沙罗周期的循环就需要12到14个世纪的的时间。假设我们看见的日蚀是在月亮北交点东18度左右，此时的月球也在黄道的北边1.5度。

月亮的阴影投在太阳北边以至于仅仅和地球表面的北极地区檫边而过，在北极附近形成一次日偏蚀。18年后的下一次日蚀将会多靠近月亮北交点半度左右，使月球的阴影向南移动。

日偏蚀将会是“比较深的”(更多的太阳被阴影覆盖)，持续时间更长，在地球表面的覆盖面积也更大。除此之外，月球阴影向地球赤道移动。最后，在10到11次日蚀之后，月亮的本影区投到地球上，引起一次日全蚀(或环蚀)。接下来的日蚀将全是日全蚀(或日环蚀)。

在赤道附近将会有整个沙罗家族中持续时间最长的日蚀发生(大约35到40次日蚀后，当日蚀发生点刚好在月亮北交点之后。整个日蚀将以相反的顺序重复前一半的过程。在多个日全蚀之后，沙罗家族以10到11次日偏蚀在南极附近结束。最后，新月离月亮北交点太远太远，使得月亮的阴影不能投到地球表面，这次沙罗循环也因此结束。

如果日蚀在月亮南交点处发生，周期将是相同的，除非日蚀在南极发生并开始向北极移动。一个月蚀沙罗循环的推移情况也是相似的。

一次有多少个沙罗循环同时发生

正如我已经说过的，日蚀只发生在太阳处于月亮南北交点的前后18天内。这个长达一个月的时期叫做“日蚀季节”；期间可能发生1次到3次日蚀。而天空中的日蚀现象蚀非常频繁的，所以事实上，每个日蚀季节都属于不同的沙罗循环，月蚀沙罗循环也类似。

除此之外，随着旧沙罗循环的逐渐消失，新的循环开始代替他，而且一直交迭下去。因此就有可能多个沙罗循环作用一个日蚀季节。

大体上，任何一段时间内，都会有38到42个太阳沙罗周期同时作用，月亮沙罗周期也一样，每个都在他们各自的阶段。因此，整个沙罗周期的结构是极其复杂的。

记数作用由于沙罗周期的混乱性，区分每个沙罗周期就十分重要。这就需要我们给这些周期命名或编号来识别它们。天文学家有一套为沙罗周期的记数的方案，占星家也有独立的记数方法。

天文上的沙罗周期记数方法是以van den Bergh出版的《a 1955 paper》为准，但忽视了一些至关重要的细节。他把起始于遥远古代到现在的沙罗周期都做了编号。如果太阳靠近月亮北交点，沙罗就被编上奇数号，如果靠近南交点，沙罗就被编上偶数号。

太阳的沙罗循环和月球的沙罗循环分别编号(严格地按照太阳和月亮来区分)。

占星家使用的沙罗数字相对更为复杂。第一，只看到过两本讨论沙罗周期的书，并且这两本书都只讲解了日蚀沙罗周期，月蚀沙罗周期则被忽略了。他们任意地为日蚀季节做连续编号为“1 North”(太阳在月亮北交点1度)，“1 South”(太阳在月亮南交点1度)。除此之外，如果两次日蚀发生在相同的日蚀季节里(相隔29天)，前一个沙罗循环叫做“老”(old)和后一个沙罗家族叫做“新”(new)。这就使从公元727年开始的一个沙罗循环有了一个较长的名字，叫做“9 South Old”，而公元1917年开始的沙罗周期则被叫为“9 South New”。当旧的周期结束后，新的周期便再一次开始了，而先前的“new”也随之换成了“old”。随着周期的运转，“new”也不停的更换，占星的编号方法就显得更为复杂和混乱。

应用沙罗周期与洪水定性预测

相似日月食的再现，即当发生的日月食的食类相同、时间相近、经过地区(指地面上月、日影笼罩范围)一致的情况下，可能出现相同的天气情况，所产生的暴雨洪水大体相同或相近，即效应相似。例如1662与1756年所发生的日月食的食类相同、时间相近、经过地区基本一致，这2年黄河都发生了大洪水，洪水的区域、量级、遭灾情况基本一致。1853与1937年所发生的日月食极为相似，对照2年的天气情况也大体一致，2年中在河南几乎相同的区域发生了极为相似的洪水。1864与1958年发生的日月食大体一致，1864年黄河下游、湖南、辽南出现洪涝灾害，长江中下游偏早;而1958年黄河中游、四川北部、辽南等地洪涝，长江下游干早。再如近期1996同1931年日月食相似，1931年有资料131记载:1931年8月中旬，长江流域发生全流域特大洪水。据鄂湘、赣、皖、苏等5省统计，该年洪水186个县受灾，受灾农田333.3万hmZ，受灾人口2850万人，死亡14.5万人，损失财产当时银元13.5亿元;而1996年我国有13个省区发生洪灾，7月18日统计就有200多万人被紧急转移，倒塌房间81万间，损坏280多万间，造成直接经济损失400亿元，其中湖南资水流域、玩水流域和洞庭湖相继发生特大洪水。如上述各事例均说明当日月食大体一致的情况下，其效应也大体相似1。

暴雨洪水与当日食沙罗周期有明显的周期性相应关系。1991与1973年日月食发生的时间、次数、经过地区极为相似，1973年吉林省中部发生较大洪水，而1991年发生的情况与1973年几乎完全一致。而且间隔18年，为一个沙罗周期。吉林省第二松花江1942年为大水年，经过一个沙罗周期后的1960年出现的日月食与1942年一致，当年也出现了大水。

又如1953年松花江上游区为大水年份，吉林省松花江流域上游五道沟水文站最大洪峰流量为7120m3/。，是1888年以来最高大洪水，18年后(一个沙罗周期)的1971年该站流量为2620耐/，，(它多年最大洪峰平均流量为1235时/。)，出现的日月食情况大体相同，因而亦发生了洪水。在暴雨洪水与日食的沙罗周期有明显的相应关系中，对于无月食年发生的大洪水与沙罗周期更趋相应。在近百年(1897一1998年)资料中，无月食现象每隔7，n年交替出现。出现一次间隔11年的无月食年必定相继出现间隔7年的无月食年，同样如出现相隔7年的无月食年，继而必定出现相隔11年的无月食年，两者合计相隔均为18年，与日食的沙罗周期相同。

说明月食同样存在着与日食沙罗周期相似的周期。在无月食年里发生的洪水，日食就成为主导因素，因而沙罗周期与洪水的相应关系更为确切。以长江为例，1951年为无月食年，长江发生了大洪水，继后18年的1969，1987年亦为无月食年，都出现了大水;1%2年为无月食年，长江发大水，18年后的1980，1998年亦为无月食年，也都发生了大水。