有一種天象，你的一生只能看見兩次

圖 1 2004年金星凌日串象（圖片來源： http://apod.nasa.gov/apod/ap040608.html ）

“百年一遇”是媒體在報道天文現象時最喜歡用的定語，無論是日食月食還是流星雨，似乎都能和這個詞搭配。當然，這基本都是標題黨們所使用的伎倆。那么有沒有一種天象能夠真正配得上這個詞呢？答案是肯定的，它就是我們這次要介紹的主角——金星凌日。

什么是金星凌日？

圖 2地球和金星公轉軌道示意圖（圖片來源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transit_diagram_angles.png）

如果按照距離太陽的遠近來排序，地球在大行星里可以排到老三。比地球更靠近太陽的是金星和水星，它們的公轉軌道位于地球的內側，因此天文學家也稱它們為“內行星”。當地球、內行星和太陽的位置嚴格的位于一條直線上時，由于強烈的亮度反差，我們會發現內行星像一個小黑點一樣在日面上緩緩移動，這就是凌。如果通過日面的是金星，那么就稱之為“金星凌日”，除此之外當然還有水星凌日。

“金星凌日”的全程一般會持續幾個小時，和日全食類似，凌的全過程也由幾個特殊的時刻所分割。最初發生的是凌始外切，也就是金星的視圓面和太陽的視圓面相外切。接著是凌始內切，標志著完全進入日面。然后是凌甚，代表金星距離日面中心最近的時刻。以此類推，凌終內切、凌終外切就很好理解了。

圖 3 2012年金星凌日過程示意圖（圖片來源：http://eclipse.gsfc.nasa.gov/OH/transit12.html）

金星凌日的觀測歷史

金星作為亮度最高的一顆行星，在許多古代文明中都留下了印記。不過或許是因為觀測難度和發生頻率的原因，他們并沒有留下對于金星凌日的可靠記錄。

17世紀初開普勒（Johannes Kepler）根據第谷（Tycho Brahe）的觀測數據對1631年的金星凌日做出了預測，然而這次凌日在歐洲并不可見，所以沒有天文學家能夠對此進行驗證。直到8年后，一位名叫霍羅克斯（Jeremiah Horrocks）的英國年輕天文學家糾正了開普勒計算的錯誤，預言并成功觀測了1639年的金星凌日，他也因此成為第一個對金星凌日進行科學記錄的人。

圖 4 霍羅克斯通過望遠鏡將太陽的像投影在一張紙上進行觀測（圖片來源：http://dioi.org/kn/venustransit.htm ）

金星凌日有多罕見？

圖 5 2000CE到3000CE之間發生的金星凌日（圖片來源：http://eclipse.gsfc.nasa.gov/transit/catalog/VenusCatalog.html）

金星凌日可以算得上是太陽系內最罕見的周期現象之一了，它發生的時間也是有著獨特的規律。不妨仔細觀察一下本文所附的這張近1000年內的金星凌日數據表，細心的讀者一定可以發現，相鄰的兩次金星凌日可以分為一組，組內間隔時間是八年，而兩組之間的間隔時間則超過一百年。所以對于絕大多數人來說，一輩子能夠趕上兩次已經是非常幸運的事情了。

本世紀的兩次金星凌日發生在2004年和2012年，如果你不幸錯過了的話，就要等到2117年9月11日了。顯然，除非生命科學出現革命級的突破，下一次金星凌日和我們就沒有什么關系了。

金星凌日的科學意義

金星凌日之所以引起天文學家們的注意，不僅僅因為它是兩個天體之間的美妙相會，更重要的是它具有重要的科學意義。1761年，俄羅斯科學家羅蒙諾索夫（Ломоносов）在觀測時發現，金星在進入日面的過程中，它的表面會出現一層很薄的亮環。經過仔細的分析，他指出，這是金星的大氣層折射太陽光產生的現象。這不僅證明了金星存在大氣，也使金星凌日成為研究其大氣層組成的重要途徑。

圖 6 由日出衛星（Hinode）拍攝的金星凌日影像，金星左緣的亮邊就是它的大氣層（圖片來源：http://www.nasa.gov/feature/goddard/scientists-study-venus-atmosphere-through-transit）

不過，金星凌日最重要的科學意義還是它對于測量日地距離的貢獻。日地距離也被稱作天文單位（AU），是天文學最基本的距離單位，也可以說是人類理解這個宇宙空間最重要的一把尺子。通過視差法（Parallax）可以在金星凌日的過程中測量出日地距離。這種方法的原理是十分簡單的，但是要求至少有兩組處于不同維度的觀測者同時對一次凌日的過程進行精確地計時。1639年霍羅克斯和他的朋友就已經嘗試了這種方法，不過他們得出的結果精度較低，影響力也有限。

圖 7 哈雷關于視差法的論文（圖片來源：http://www.nytimes.com/slideshow/2012/05/29/science/space/20120529-VENUS.html）

1678年，埃德蒙·哈雷（Edmond Halley）提議通過觀測金星凌日來測量日地距離，此舉引起學界的廣泛響應，也由此開始一場持續了兩百年的偉大征程。數只考察隊分赴全球各地開展觀測，其間花費了巨大的人力物力，甚至有人為此獻出了寶貴的生命。根據1882年的金星凌日，美國天文學家西蒙·紐康（Simon Newcomb）得出了1.4959億公里（±0.31百萬公里）的數值，這已經是一個非常精確的結果了。19世紀末期，隨著無線電的遙測技術的發展（Radio telemetry），天文單位的測量精度大幅縮小到了±30米，行星視差法終于退出了歷史的舞臺。

參考資料

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年金星凌日和歷史

https://en.wikipedia.org/wiki/Transit_of_Venus

http://www.exploratorium.edu/venus/question4.html

AU的計算

http://www.nasa.gov/feature/goddard/scientists-study-venus-atmosphere-through-transit 金星大氣層

出品：科普中國

制作：北京大學房庚雨