觀天入門

前言

有人會問觀天(或是觀星)是不是要花很多錢買設備，其實不盡然，這裡介紹的一百個觀天習題，它們幾乎是不費分文就可以做到，而且十分有趣，你還可以呼朋引伴一同實作，可以在同一個時間及同一個地點，或是在不同時間及不同地點，最後再分享及比較彼此的成果。

這一百個觀天習題也十分簡單明暸，雖然它們的目標是成年觀星族，聰明的小朋友們依然可以做得到。當然，其困難度也和你多麼投入和多麼細心有關，但可以保證的是你用不著本生燈、質譜儀、天文臺或是去申請研究基金。但你的確需要一股熱情和耐力，願意不辭寒暑地在黑夜中佇立著，有時候還是在荒郊野外。不過你最大的回饋就是在觀看天空中美麗而奇幻的星體時發出的無數讚嘆。

有部份習題嚴格來說並不是觀察星體，而是觀看天空的現象，它們可能和太陽、月亮、或是其它光源有關。這些現象也不見得歸類於天文學，有些是氣象學的範疇。無論如何，它們都不應錯過，值得你去欣賞。這也是我把主題訂為「觀天入門」而不是「觀星入門」的原因。

有部份習題所觀察的現象可能較為罕見，你可能今年一整年都無法看到。但也有許多習題是幾乎可以在任何一年的任何一周的任何一天都可以完成，你也可以反覆實作、精益求精，直到你自己滿意為止，甚至或許成為你終身的事業。有部份習題是由數個小習題組成的，保證讓你愉快地忙碌一段時間。

度量單位

時間

在觀察日蝕和月蝕時，這裡列出的是通用時間(UT)，為24小時制，和格林威治標準時間(GMT)相同。如果你在美國，東岸時區(EST)為-5，中央時區(CST)為-6，山區時區(MST)為-7，太平洋時區(PST)為-8。例如德州位於中央時區，德州一月一日上午五時(CST 5:00)為通用時間一月一日11時(UT 11:00)。若是在中國或台灣地區為+8，北京或台北七月一日下午10時為通用時間七月一日14時(UT 14:00)。

位置

這裡所提到的天體座標系統大部份是赤經(RA)和赤緯(Delination)。赤經和赤緯是地球的赤道和南北極比擬投射到天球上訂定而成，天球赤經就好像地球的經度線，天球赤緯就好像地球的緯度線。赤經零度並不是在格林威治的子午線開始，但同樣是由東向西的24小時制度，其起始點是春分點(Vernal Equinox)，也就是每年春天開始時太陽的位置。赤緯與緯度線一樣，單位為「度」、「分」、「秒」，只是北天球加上正號(+)，南天球加上負號(-)。

角距

由水平面至天頂為90度。太陽或月亮看起來差不多大，都是0.5度寬。你的手臂伸直時，拳頭看起來為10度寬，同樣在手臂伸直時，手掌完全張開，由大拇指指尖至小指指尖約為15度寬。

亮度

星星的亮度單位是星等，最初是將肉眼可見的星星分為六個星等，最亮的是一等星，最暗的是六等星。現在這個星等尺度已擴展到零或是負數來表示非常亮的物體；以及很大的數目字來表示非常黯淡的物體，它們通常需要光學輔助儀器才能看得到。兩個星等之間還可用十進位小數點來進一步區隔，例如亮度在一等(1.0)和二等(2.0)之間的星星的亮度為1.5等。數字愈大表示愈暗，數字愈小表示愈亮，每一個星等的亮度差距為2.5118倍，也就是說一等(1.0)星的亮度是六等(6.0)星的一百倍。

觀天入門：月面圖

在太陽下山之後以肉眼觀察上弦月或是在日出之前以肉眼觀察下弦月，記錄月球表面的特徵。不要參考其它人的月面圖或是天文專書，繪製你自己的月面圖。約一群同好在同一時間一起觀察(不一定要同一個地點)，再將同好們依使用望遠鏡觀察月亮的經驗以及對天文專書上月面圖的熟悉程度分組，比較不同組別之間的成果，以及同一組別內的成果。

月亮幾乎每天可見，而自己動手繪製月面圖可以訓練觀察的細心與耐心，做為第一個觀天習題是再好不過了。將它做為第一個觀月習題還有一個重要原因，當你在準備接下來的習題時，你會參考專業的月面圖或月球照片，以對月球做更仔細的肉眼觀察，因此不自覺地有了先入為主的印象，再繪製出來的月面圖就不全然是你的觀測成果了。當然你可能已經看過許多月球照片，或許也用望遠鏡觀測或許多次，可能已經有了「偏見」，但這時候你的「偏見」應該最淺。而且可以透過分組來比較「偏見」造成的影響。

下圖為1603年吉伯特所繪製的月面圖，原圖上還有幾條細線並標註地名，這是唯一一張已知的、在望遠鏡發明之前繪製的月面圖，無怪乎存有相當大的誤差。

在比較你和你的同伴們所繪製的月面圖時，除了可以研究「偏見」造成的影響外，還會產生另一個有趣的問題：以肉眼觀察月亮可以到多麼細微的程度？舉個例子，台灣蘭嶼的小朋友們裸視視力可達4.0，蘭嶼的夜空永遠清徹美麗；某一位台北市的大學生可能帶上眼鏡後的視力還不到1.0，台北市還有「光害」，但他從小閱遍了各式天文書籍，頂樓還有一台昂貴的望遠鏡；他們繪製的月面圖會有怎麼樣的差別呢？

你和你的同伴們將需要自行定義「觀月經驗」和「視覺能力」的等級，儘可能地客觀量化。當然，有些問題十分簡單明確，例如：有沒有使用過望遠鏡看月亮？是否擁有望遠鏡？是否擁有天文書籍等等？愈清楚明白的定義，會給你更好的結論。

幸運的是有些變數是可以避免的，例如給每個人同樣的時間(十五分鐘或二十分鐘)來觀察和繪圖，而且是在同一個時段，以及十分很接近的數個地點，或是根本在同一個地方。最好不要在月亮與背景顏色太接近的時候(大白天)，或是對比太強烈的時候(滿月高懸)繪製月面圖。通常在太陽東昇前的微微曙光或西沈後的淡淡暮光中都很不錯。已故的美國天文學家艾許布魯克(Joseph Ashbrook)建議在清晨曙光中觀看殘月為最佳。

問題

一、以你的觀察經驗，何時可以看到最清楚的月球表面特徵？如果你在黃昏或黎明時觀察，在何時會變得十分清楚或無法分辨？霾或空氣污染以及月球懸掛在天空的角度對觀察所造成的影響？

二、觀察者過去的「觀月經驗」或「偏見」對肉眼觀察月亮所繪製的月面圖之影響？「視覺能力」的影響？

觀天入門：月面盈虧特徵

由新月開始，每天觀察並繪製月球表面特徵，直到下一個新月為止。

你或許會說很難做到前半個月每天晚上看月亮，後半個月每天清晨提早爬起來看月亮，乾脆放棄了。別這樣想，這個觀天習題的目的是希望你充份利用月面盈虧–月球受太陽照射的角度來觀察月球表面特徵，因為某些特徵在某一盈虧程度時可能特別明顯，或者是剛好看不到。

月面盈虧的周期有多長呢？以月球對背景恆星來說，月球每27⅓天在環繞地球一圈，這個周期稱為恆星月。但在這個周期時間內，地球和月球在它們的繞日軌道上也各自移動了一段距離。因此需要29½天，地球、月球和太陽才有相同的相對位置，形成同樣的月面盈虧。所以每次新月(或滿月)到下一次新月(或滿月)相隔的時間為29½天，這個周期稱為太陽月。

既然是要觀察一整個周期，由那一天開始比較好呢，我的建議是由新月開始，就是陰曆的每月初一開始。其實沒什麼特別理由，主要是人們對數字的感覺，由一數到二十九比較順，由十八數到二十九再由一數到十七比較不順，(其它的起迄日期亦然)。你也可以將你每天的觀察成果視為一系列的動畫，你想要如何呈現給你或你的觀眾？由什麼都沒有逐漸長成完整的圓形再逐漸消退至什麼都沒有？或是其它的盈虧循環？那一種型式是你或你的觀眾最能接受的？

事實上，由每月初一開始，並不能給你的月面動畫帶來一個最完美的開始。天文學家計算月齡由新月開始算起，由0至29½，它不是剛好29天。因為月初的那幾天，月亮十分接近太陽，只有非常纖細的明亮區域而不能為肉眼所見。同理，你的月面動畫在月底也不會有完美的結束。而且，每天最適合觀看月球表面之地形特徵的時間是太陽東昇前的微微曙光或西沈後的淡淡暮光中，這些日子加起來絕對不到月亮的盈虧周期。再問一個有趣的問題：你能看到最年輕的月齡是多少？或你能看到最老的月齡是多少？

到底月齡對觀察月面有多大的影響呢？差了¼天、⅓天或是½天是否會對月球明亮區域的範圍或是觀察月面造成顯著不同？答案是肯定的，有些時候的確如此，即使不用望遠鏡，僅憑肉眼就可以發現不同。觀察月球表面之明暗界線(Terminator)–月球上日出和日落界線–上的特徵時，差個半天、一天會看到相當大的不同。在界線的附近，月球表面崎嶇的地形會投射出最長的陰影，就如同在地球上，中午太陽直射時影子很短，早晚的影子拖得長長的，因此地形高低起伏看得最清楚。較高的地形，例如高山或是隕坑環緣，相對於較低的地形，例如「海」或環坑底床，日出時可以早一點接受到陽光，日落時可以晚一點褪下金衫。所以月球表面之明暗界線不是一條圓滑曲線，肉眼也能看出曲曲折折的形狀，利用雙筒望遠鏡或低倍遠望鏡可明顯看出在明亮區域中有幾抹陰影，或是黑暗區域中有些光點。因為月球自轉速度很慢，所以月球表面之明暗界線移動的也很慢，即使在赤道區域也才每小時9英哩。不過你若將它乘以6小時，也就是¼天，這條明暗界線也移動了36英哩，在新月前後，例如初一、初二或是廿七、廿八，這個變化是相當大的。

伽利略在1609年11月30日繪製了兩幅月面圖，下圖為他當時所繪製的第二幅。那也是他最早的兩幅由望遠鏡觀察所繪製的月面圖，放大倍率為二十倍。

所以你在觀察時不只要繪製月面圖，還要記錄觀察的時間，並換算為實際月齡。你可以在大部份的天文日曆上找到新月的確實日期及時間，通常會標明通用時間(UT)，有些還會標明當地時間。還有一些因素會讓你的月面盈虧動畫不夠完美：除了天氣和你個人的庶務外，月球的微小晃動–天平動(Libration)–也會有影響。在第6個觀天習題中會討論天平動，你現在可以不管它。

問題

一、你繪製的第一張和最後一張月面圖的月齡分別為何？

二、當你觀察月球表面之明暗界線時，在那一個月齡時有最大的曲折程度？在那一個月齡時最平滑？那些特徵會造成這些曲折？回答這個問題，你可能需要視覺輔助工具，例如：雙筒望遠鏡。並在完成所有觀察後，比對專業天文書籍上的月面圖。

觀天入門：月面明暗度

製做一張月面圖，標明受光區域的亮度(最明亮至最黑暗)。在不同的盈虧程度(月齡)時，觀察月面各個特徵因為受光角度的不同而產生的亮度變化。你可以採用1-5分級或1-10分級。例如：0表示不受光的陰暗區域，1表示最不亮的受光區域，10表示最亮的受光區域。

大部份人們認為肉眼看到的月亮只是一個明亮的光盤上有些晦暗區域，但仔細的觀察，你會發現它的亮度呈現許多細微的差異，分佈範圍很廣。我們當然不能錯過這些特徵，尤其是那些比原來就比較亮的高地更亮的區域。有些特徵只有在對我們的觀測最方便的時間(日落後一會或日出前不久)，以及接近月球的正午時分(太陽在月球的天空上掛得最高的時候)才能看得清楚。

使用望遠鏡的觀測者通常將里奇奧利(Ricoioli)和格里馬爾迪(Grimaldi)兩個環坑的底床，也就是月球受光時最不亮的地方之亮度定為1度；阿利斯塔克(Aristarchus)隕坑的環緣，也就是月球受光時最亮的地方之亮度定為10度；不受光的地方之亮度為0度。不過，肉眼觀察月球表面明暗分布時，會得到不太相同的結果，因為在望遠鏡中可見的細微特徵，在肉眼觀測時會混入背景中，有時不同的盈虧程度其「混入」程度也會不同。舉個例子，當你近看一張白紙上灑滿一些小小的黑點，遠看時你只看到一張灰色的紙。

月球表面上有些年輕的隕坑，在某一盈虧程度時，太陽光的直照在明亮的塵土上，會看到明顯的向外放射延伸的條紋，就如同星芒一樣。它們平常並不起眼，幾乎讓人忽略它們的存在，但太陽高掛時卻顯出其與眾不同的星芒特徵。例如：斯臺文(Stevinus)環坑和布爾基(Byrgius)環坑，相對來說它們是又小又不引人注意，可是它們卻是大部份望遠鏡觀月手冊必定提及的。在某些日子裡，即使以肉眼觀察，這兩個環坑的星芒線延伸至灰暗的月球「海」中，也是同樣地引人注目。布爾基最好是在快要日出前，也就是殘月時觀察；斯臺文環坑最好是在剛剛日落後，也就是凸月時觀察，你會發現斯臺文環坑和著名的危海(Mare Crisium)好像是一明一暗的雙生兄弟一般。

問題

一、除了斯臺文環坑和布爾基環坑外，你還看到那些明亮區域？它們在那一個月齡時最顯著？

二、在不同的月面盈虧時，你看到最亮和最不亮的特徵為何？那一個月球「海」最不亮？你可以製作一張表格來記錄。

三、在你以肉眼觀察月亮時，那一塊區域有最多片的小片陰影？

觀天入門：嫦娥奔月

發揮你的想像力，將月球表面特徵連成一個或數個特別的圖案。答案不止一個，愈多愈好。將你的答案和廣為流傳的圖案做比較，選出二個圖案來，第一個能使你最容易記住月球表面特徵，第二個能令你更瞭解月球的本質。

太空船和望遠鏡可以看到更細微的月球表面特徵以及不同的分佈特色，例如月球背對著地球的那一面有著更高密度的隕坑，向著地球的這一面的隕坑比較少。而肉眼觀察月亮顯示的是大型尺度的特色，之前的兩個觀天習題可以幫你界定這些特色，第三個習題可以找出明亮度(反射率)的分佈情形，第二個習題經由觀察不同盈虧程度時的明暗界線(Terminator)，可以找出月球表面的高度變化。

肉眼觀察最容易歸納出來的圖案當然就是月球「海」的地理分佈，中國有嫦娥奔月、玉兔搗藥、吳剛伐桂的故事，其它各民族也有不同的故事和不同的圖案系統。這些故事很可能會搗亂你的想像力，不過它們若能協助你記得月球表面的特徵，也算功德一件。無論是那一種圖案系統，古代的或你自創的，它們的目的是讓你在月球上不容易迷路。

接下來有四套常見的圖案系統，(a)為女士的臉，(b)為男士的臉，(c)為玉兔，(d)為螃蟹。此外，你知道阿波羅11號(Apollo 11)的登月地點嗎？就在女士的耳朵上方一點點。

問題

一、經由觀天習題三的亮度變化分佈情形，你找出什麼樣的圖案？經由觀天習題二的高度變化分佈情形，你找出什麼樣的圖案？

二、那一種圖案系統(例如：女士的臉)最能讓你記住月球表面特徵？其它的圖案系統有什麼優點？你有沒有發明一套你自己的圖案系統，甚至寫了一個故事來配合？

三、你是否找到某些圖案必需在特別的盈虧程度時才能見到？為什麼呢？(提示：與月面特徵的經度、緯度、或是其它因素相關嗎？)

觀天入門：望穿秋水

以肉眼觀察，試著分辨最小的、最細的、對比最不明顯的、以及其它最難見到的月面特徵。

為了避免造成「偏見」而影響到你的觀天習題一和習題二的成果，這裡還是不提供詳細的月面圖。不過在這個觀天習題中，你最好有一份詳細的月面圖，以對月球表面的某些特徵做更仔細的觀測。你可以由圖書館或網路上不費分文的取得詳細的月面地圖或是相片，例如：http://moon.google.com。

有一點值得提起的，你可能是極少數人之一甚至是第一個人能以肉眼看到某些月球表面特徵，而且還知道你在看什麼。良好的視力固然有優勢，但知識和耐心也是非常重要，當然老天爺也要幫忙才行。儘可能在太陽東昇前的微微曙光或西沈後的淡淡暮光中觀察。

海(Maria)

這裡列出十七個月球「海」值得你去試試：
風暴海(Oceanus Procellarum)、
雨海(Mare Imbrium)、
晴朗海(Mare Serenitatis)、
寧靜海(Mare Tranquilitatis)、
肥沃海(Mare Fecunditatis)、
危海(Mare Crisium)、
雲海(Mare Nubium)、
汽海(Mare Vaporum)、
蜜海(Mare Nectaris)、
濕海(Mare Humorum)、
冷海(Mare Frigoris)、
中央灣(Sinus Medii)、
熱灣(Sinus Aestuum)、
夢湖(Lacus Somniorum)、
露灣(Sinus Roris)、
傳染沼澤(Palus Epidemiarum)、
南灣(Mare Australe)。

其中蜜海和濕海比較容易，它們的跨徑約200英哩，在2億5千萬英哩之外來看，雖然還不算大，但大部份的人仍可以分辨無礙。氣海和中央灣則難一些。你可以記錄那些月球「海」你不需要使用視覺輔助器材(例如雙筒望遠鏡)就可以看到，那些一定需要使用視覺輔助器材？

下圖為雨海、亞平寧山(Apennines)、以及明暗界線。

山脈(Mountain Ranges)

要以肉眼分辨出一個個山峰是幾乎不可能的，不過要看到壁壘著雨海的高大山脈並非不能。亞平寧山脈足足有500英哩長，肉眼絕對可以看出整個高地的輪廓。要觀察亞平寧山脈還有一個方法–分段觀察！通常是初七之後，它會在月球表面之明暗界線附近，比周圍的低地提早接受到陽光，造成一條約100英哩長的陰影。早在二千年前，希臘學者布魯達克(Plutarch)就曾提出月亮上一定有高山和谷地，說不定他的線索就是亞平寧山脈造成月球表面之明暗界線的變化。

隕坑(Craters)

當克拉維斯(Clavius)隕坑出現在月球表面之明暗界線時，你絕不會遺漏它，它的環壁高達12,000呎，直徑將近145英哩。哥白尼(Copernicus)隕坑出現在明暗界線時，也是一場大秀，約在每月初十前後，但當你為它周遭的星芒條紋所震懾時，你能否看見隕坑本身呢？你還應該試試托勒密(Ptolemaeus)隕坑，它的環壁高達9,000呎，直徑將近90英哩。

肉眼是否能看到遠離明暗界線的隕坑呢？大部份的隕坑都有淺色的底床，與周圍的高地對比並不明顯。格里馬爾迪(Grimaldi)隕坑的直徑約120英哩，有非常黑的底床，但它十分靠近月亮邊緣，只有在天平動(Libration)晃到好角度時才容易觀察。柏拉圖(Plato)隕坑的底床也很黑，但它的直徑卻不夠大，才60英哩，此外，它周圍的高地之寬度是否能提供足夠的對比呢？

問題

一、你的肉眼可以看到多少個月球「海」？多少個山脈？多少個隕坑星芒系統？你可以在月球表面之明暗界線上(或是附近)辨認出隕坑嗎？這些隕坑距明暗界線可以到多遠？

二、是否有任何山脊、谷地、星芒、或裂縫足夠寬到肉眼即可辨視？如果不行的話，最少的視覺輔助工具為何？(雙筒望遠鏡？口徑？倍率？)

觀天入門：天平動

素描你以肉眼觀察到的月亮邊緣的地形特徵，尤其是危海(Mare Crisium)，一個月內觀察許多次，看你能不能發現月亮的天平動。此外，記錄月球表面的各個地形特徵出現在明暗界線(Terminator)時的月齡。

由於月球繞地球旋轉的速度和月球自轉的速度幾乎相同，所以它一直以同一個面面對地球。其實不盡然，例如：我們會發現每次滿月時所見到的月球中央部份大致上一樣，但接邊緣地區的地形則可能有差別。某些地形在某次滿月時很靠近邊緣，但下一次滿月時卻離邊緣有一段距離。這種月面微小變化(晃動)稱為天平動(Libration)。對於肉眼觀測者而言，只要知道自己在看什麼，也很容易發現此一現象。

天平動使我們可以看到北極再多一點點、南極再多一點點、常見的月面東緣或西緣再多一點點。因此，我們能看見的月球表面並不是一般人所想像的百分之五十，而是百分之五十九。

最方便用來觀察天平動的地形特徵是危海，當月亮由東邊升起西邊落下時，危海距月亮的前緣不遠，所以自新月開始到剛過滿月的這一段時間都可以觀察。那麼危海在完全相反的兩個天平動之間呈什麼樣子的變化呢？這個幾乎是正圓的月球「海」由看起來像是一條細細的黑線就剛好在月球表面邊緣到一個肥肥的橢圓舒適地躺著而不怕掉下床緣。

這個觀天習題很簡單，請你在不同的月齡時記錄危海的外形和位置。不過接下來的問題就比較具挑戰性，而且你可能也迫不急待地想知道為什麼會發生天平動。

實際上，天平動包括許多個不同的運動和不同的原因。主要有四個，物理天平動(Physical Libration)和每日天平動(Diurnal Libration)對肉眼觀察者而言，其變化太小難以分辨。但要發現緯度天平動(Libration in Latitude)並不難，它的幅度為月球北極再多七度，半個月之後則變成月球南極再多七度。緯度天平動原因是月球的自轉軸相對於其繞地球的公轉平面傾斜了七度。而經度天平動(Libration in Longitude)通常為月球表面平均東緣或平均西緣再多六度，但有時可達八度。經度天平動的原因是月球繞地球的軌道不是正圓，而是橢圓，它在軌道上的速度並不是固定的，當月球離地球比較近的時候，它的速度比較快，當月球離地球比較遠的時候，它的速度比較慢。月球的自轉速度是極為固定的，下圖顯示當自轉速度超過或趕不上公轉速度時，如何看到不同的月球表面。兩個角度α和ά雖然不同，因為在近地點時運動較快，在遠地點時運動較慢，所以月球經過它們的時間是相同的，在這個時間內，A點就可能超前或落後，介於L點和L'點之間的區域就變成可見。

問題

一、肉眼觀察危海的外形和位置，其每周的變化及每月的變化為何？你還看到那些地形特徵的外形和位置因為天平動而變化？

二、在某一特定月齡時觀察明暗界線上的地形特徵，它們會因為天平動而有什麼樣的變化？