今年6月6日人們將能觀賞到金星凌日奇景。說是奇景，因為是極其罕見的天象。屆時金星看起來是一個小小的黑點，從太陽的東邊緣進入，在明亮的太陽圓面上緩緩移行，歷時6個小時，最后從太陽西邊緣移出。金星侵入到日面，“凌”正是侵犯的意思，所以稱凌日。人類關注金星凌日已有數(shù)百年之久。
金星的視運動
金星的軌道在地球軌道之內(nèi)，它與水星一起，通常稱為內(nèi)行星或地內(nèi)行星。它到太陽的平均距離約0.72天文單位（1天文單位為1.5億千米)，公轉(zhuǎn)周期為224.695日。
金星從太陽的東邊緣進入，在明亮的太陽圓面上緩緩移行，歷時6個小時，最后從太陽西邊緣移出
當一顆內(nèi)行星繞太陽公轉(zhuǎn)時，地球上會看到一些重要的運動特征。如東大距和西大距，它們是從地球上看內(nèi)行星與太陽距離的張角最大的地方。對金星而言此角為45°~48°。金星的東大距發(fā)生于夕陽西下之后，這時候的金星又以長庚星為名閃耀夜空；而西大距則發(fā)生于朝陽東升之前，這時候的金星作為啟明星高懸蒼穹。若通過望遠鏡觀測，可以看到被太陽照亮的金星正巧有一半面向觀測者，呈現(xiàn)出與月亮上弦或下弦相類似的位相。內(nèi)行星還會出現(xiàn)上合（行星位于地日連線的外側(cè)，也稱為外合）和下合（行星位于地日連線的內(nèi)部，也稱為內(nèi)合）的天象，從地球上看去它們與太陽在同一方向上，但一般來說，除了下合時發(fā)生凌日這一特殊情況外，此時我們看不到它們。
與凌日密切相關的是下合。根據(jù)地球和金星的會合周期以及它們各自的公轉(zhuǎn)周期就可以很容易地算出下合時間來。在連續(xù)兩次下合期間，地球轉(zhuǎn)過了1.5987周（360°+215°31'），而金星則要轉(zhuǎn)過2.5987周（720°+215°31'）。以2004年6月8日的這次金星下合（這一次適逢凌日）為例，其后的第一次下合發(fā)生在2006年1月13日，以下的第二次至第五次發(fā)生在2007年8月18日、2009年3月28日、2010年10月30日和6月6日（這一次又是凌日）。
若內(nèi)行星下合時，地球、該行星和太陽三者恰好又位于一直線上，這時就發(fā)生凌日了。由于行星的視直徑遠比太陽小得多，所以它在太陽表面只能呈現(xiàn)為一個小黑點。并不是每一次金星下合都會發(fā)生凌日，這是因為金星繞日運動的軌道面與黃道面有傾角，這個傾角約3°24'。只有當金星運行到其軌道面與地球軌道面的交線的同時又處于下合時，才會看到金星凌日。在天文學上討論天體的運動時，把天體連同它們的軌道都投影在天球上，地球軌道面在天球上的投影稱為黃道。金星軌道面與地球軌道面的交線在天球上投射出兩個交點。當金星沿著軌道運行，從黃道以南進入黃道以北所經(jīng)過的交點稱為升交點，反之，另一個交點稱為降交點。在升交點和降交點都能發(fā)生凌日。
根據(jù)計算，金星凌日平均每243年才發(fā)生4次。水星凌日的情況也類似，可是頻次要高得多，平均每世紀發(fā)生13次。
金星凌日的周期
從金星的公轉(zhuǎn)周期和地球的公轉(zhuǎn)周期（365.25636日）可以算出從金星的一次下合到下一次下合的時間間隔（會合周期）為583.92日。從數(shù)學上容易理解，金星凌日的周期必須既是會合周期的倍數(shù)，又是金星公轉(zhuǎn)周期和地球公轉(zhuǎn)周期的倍數(shù)。天文學家們計算出的243年的金星凌日周期，約為88757日，相當于152個金星會合周期，395個金星公轉(zhuǎn)周期和243個地球公轉(zhuǎn)周期。經(jīng)過這段時間間隔后，金星與地球差不多同時回到各自軌道上的同一位置。
地球大致上在每年12月10日前后經(jīng)過金星軌道的升交點，在每年6月8日前后經(jīng)過金星軌道的降交點，因此金星凌日只能發(fā)生在這兩個日期前后。
金星軌道面與黃道面的夾角導致并非每次下合都會凌日。另一方面，這個夾角的大小又決定了相隔8年形成一組凌日的特點。設想若太陽在天空只是如同金星般大小的一個“光點”，則必然要求金星正好到達交點上時才會發(fā)生下合，進而形成凌日現(xiàn)象。事實上，太陽在天空中是一個有一定大小的“光盤”，它的視直徑平均約為32′。這樣，當金星在天空運行到與交點有一定角距離下合時，仍能發(fā)生凌日。考慮到這種情形有可發(fā)生在交點的東、西兩邊，所以這樣一段距離的極大值的兩倍稱為凌日限。只要金星下合在凌日限內(nèi)發(fā)生，就能觀測到金星凌日。在觀測者位于地心的理想狀態(tài)下，凌日限的寬度約為8°，即在交點之東和之西各4°。考慮到各種具體情況，實際上凌日限約為6°左右。例如2004年6月8日下合發(fā)生凌日時金星在軌道上位于降交點之東1°24′（我們把軌道上的這一點稱為凌日點），而6月6日下合時凌日點將在降交點之西1°1′，都在交點之東或之西的3°之內(nèi)，故這兩次下合之際都能觀測到凌日。這兩次凌日相差8年（少兩日），而凌日點向西移動了2°25′。
前面給出的金星會合周期約為1.5987年，近似為1.6年，所以8年前后的兩次凌日，正好經(jīng)過了5次下合。我們知道，兩次相鄰會合的會合點之間相距約216°，而五次以后的會合點，則幾乎回到了原來的位置上了。因為216°×5=1080°（360°×3），也就是會合點移動了3周。但是，請注意實際的會合周期比1.6年要略小一些，這使得實際上五次以后的會合點移動了1077°35'。這就是說，五次以后的會合點，比原來的位置要向西移動約1080°-1077°35'=2°25'。金星與黃道的交點（升交點和降交點）也在移動，移動的速度平均約0.0090°/年。以這樣小的移動速度，交點在8年內(nèi)的移動量才約4'，相對于會合點的移動完全不會產(chǎn)生可觀的影響。以2004年6月8日與6月6日兩次凌日的情況為例，可以看出，這兩次相鄰凌日之間，也就是五次會合之后，凌日點（也就是會合點）向西移動了2°25'。2004年的凌日是在凌日限之內(nèi)，8年以后會合點雖然西移了，但仍在凌日限之內(nèi)，所以也會發(fā)生凌日，而且由于凌日點西移了2°多，凌日發(fā)生的日期提前了2天。
那么，再過5次會合之后的2020年，會合點再要西移2°多，將會越出凌日限。以后每過五次會合，會合點不斷西移，每過8年才移動2°多，何其緩慢！一直要等到會合點移動進入另一個交點的凌日限內(nèi)才會再次發(fā)生凌日。這一等就是一百多年！那時，凌日點在凌日限內(nèi)移動1次，不會越出界限；再移動1次，卻到了凌日限之外了。所以，發(fā)生金星凌日總是一組兩次，相隔8年。
對于8年的金星周期，我國的天文學家早在2200多年前就發(fā)現(xiàn)了。成書在西漢的《五星占》寫道：“五出，為日八歲，而復與營室晨出東方�！边@是說金星的五個會合周期恰好等于8年，即金星在8年前或8年后會在相同的時間里復現(xiàn)在相同的星座。這說明我國古代天文學家早已掌握了金星與地球在運行中相對位置變化的規(guī)律。
金星凌日可分為兩種：一種是降交點的金星凌日，它發(fā)生在6月8日前后。這時金星由北往南經(jīng)過日面；另一種是升交點的金星凌日，它發(fā)生在12月10日前后，這時金星由南往北經(jīng)過日面。人們可能以為，降交點和升交點的金星凌日是成對地交替出現(xiàn)的，在數(shù)量上不分軒輊。其實不然，兩者在數(shù)量上并不相等，降交點的金星凌日比升交點的多。例如，通過計算可知，從公元902年至3097年，共出現(xiàn)19組金星凌日，而能觀測到的只有33次，其中降交點凌日有19次，而升交點凌日只有14次。原因在于，金星在降交點時，距離地球較遠，達4321萬千米；而在升交點時，距離地球較近，只有3947萬千米。在同等條件下，如果距離地球較遠，金星凌日發(fā)生的幾率就較高。
從降交點凌日到升交點凌日經(jīng)過105.5年，而從升交點凌日到降交點凌日則要經(jīng)過121.5年。相比之下，后者比前者多16年，也就是兩個五次會合。在降交點凌日時，凌日點偏于凌日限的西邊緣。當經(jīng)過13個五次下合加上1年半（共105.5年）之后，凌日點進入升交點凌日限的東邊緣。在發(fā)生兩次凌日，凌日點離開升交點凌日限后，凌日點要多向西移4°多才能進入降交點的凌日限，這就是由降交點凌日到升交點凌日要多16年（2個五次下合）的原因。
金星軌道的兩個交點是自西向東移動的，在短期內(nèi)這種移動的影響不大，但是經(jīng)過長時期的日積月累，效應也就顯現(xiàn)了。2004年6月8日金星凌日比1761年6月6日金星凌日推遲了兩天，即在243年中，金星的降交點向前（向東）移動了2°11'，對于地球的軌道運動來說，必須再過兩天才能到達這個交點。
觀測金星凌日的歷史及科學意義
有記載的人類歷史上第一個用肉眼觀察金星凌日的人是古代阿拉伯自然科學家兼哲學家法拉比（870年~950年），他在一張羊皮紙上寫道：“我看見了金星，它像太陽面龐上的一粒胎痣�！睆乃幍臅r代來看，法拉比目睹到這次金星凌日發(fā)生在公元910年11月24日。
英國天文學家霍羅克斯正在通過望遠鏡觀察1639年的金星凌日，他和好友克拉布特里是世界上第一個用天文望遠鏡觀察金星凌日的人。
1768年到1771年，英國著名航海家?guī)炜藖淼侥咸窖鬁y繪了新西蘭和澳大利亞海岸，并進行了金星凌日的觀測。
德國天文學家開普勒（1571年~1630年）是歷史上第一個預告金星凌日的人。他在1629年出版的《稀奇的1631年天象》一書中寫道：1631年12月7日將發(fā)生金星凌日。
世界上第一個用天文望遠鏡觀察金星凌日的是英國天文學家霍羅克斯（1619年~1641年）和克拉布特里。他們在1639年12月4日用望遠鏡觀察到了那天發(fā)生的金星凌日。
俄國科學家羅蒙諾索夫（1711年~1765年）在觀察1761年6月6日發(fā)生的金星凌日時，發(fā)現(xiàn)金星在進入太陽邊緣時陽光產(chǎn)生奇特現(xiàn)象，從而推斷金星有大氣存在。這是人類首次發(fā)現(xiàn)其它行星上的大氣。
英國天文學家哈雷（1656年~1742年）發(fā)現(xiàn)觀測金星凌日能測定地球到太陽的距離。他曾提出過一種精確測定太陽視差的理想方法。但是以后的金星凌日必須等待到1761年和1769年才會發(fā)生。哈雷知道他此生將無緣參與其事，但是希望后人按他給出的方法去測定地球到太陽的距離。
在1761年和1769年的這兩次凌日發(fā)生之前，許多天文學家便作了準備，并且派出不少遠征隊到世界各地去。由1761年的凌日得到的結(jié)果從7.5角秒到10.5角秒都有，彌散度很大，所以天文學家們期待著1769年的凌日觀測能得到更好的數(shù)值。
1768年到1771年，英國著名航海家?guī)炜耍?728年~1779年）首航來到南太平洋，測繪了新西蘭和澳大利亞海岸。不過，他還有另一項重要的任務。英國皇家學會委托他在南半球與北半球的天文學家們同時進行金星凌日的觀測。1769年6月3日，這一天天氣十分晴朗，庫克在塔希提（太平洋中南部澳大利亞東面向風群島中最大的島嶼，現(xiàn)為法國屬地）觀測了金星凌日的全過程。其他的天文學家在美洲的下加利福尼亞、休斯頓和歐洲北部的挪威觀測到了這次天文事件。法國天文學家拉朗德（1732年~1807年）集中了他們的所有結(jié)果，算出太陽距離地球1.33億千米，這個結(jié)果比現(xiàn)代值1.496億千米稍小。后來，法國天文學家潘格雷（1711年~1796年）分析了當時的全部資料，于1775年算出了太陽視差相當接近于8.8角秒�，F(xiàn)在看來這是一個相當精確的數(shù)值，可惜當時沒有引起人們的注意。
在這兩次金星凌日的觀測熱潮中，最不走運的要數(shù)法國天文學家勒讓蒂了。他于1760年出發(fā)前往法屬印度的龐地謝里。他在旅途的船上冥思苦想解決問題的方法，得到的結(jié)論卻毫無科學價值，所以他決定繼續(xù)留在當?shù)�，等�?769年的那次凌日，但凌日那天卻恰逢烏云遮蔽天空，不能觀測。不久后他回到法國，卻發(fā)現(xiàn)財產(chǎn)已被他人分割，職位也已被他人占據(jù)了。
德國天文學家恩克（Encke）于19世紀初深入探討了前人的太陽視差測量結(jié)果后，在1824年公布的結(jié)果是8.57角秒，地球距離太陽1.53億千米。這個數(shù)值在19世紀上半葉被天文學界公認。1865年，美國天文學家紐康（1835年~1909年）將當時可用的數(shù)據(jù)綜合討論后，求得的數(shù)值是8.85角秒。
在1874年與1882年又先后發(fā)生了兩次金星凌日。許多國家的天文學家作了大量準備工作，希望由觀測求得更好的數(shù)值�？墒怯捎谟^測上的困難，引入了嚴重的誤差。天文學家由前一次觀測求得的太陽視差值在8.76角秒與8.91角秒之間；由后一次求得的數(shù)值在8.80角秒與8.85角秒之間。紐康重新綜合前兩世紀的4次金星凌日，于1895年又重新得出了一個太陽視差的結(jié)果：8.797角秒。這是一個相當精確的數(shù)值（今值為8.7941角秒，相當于1.49597870億千米）。到了20世紀，由于人們已經(jīng)有了更加精確的方法，利用金星凌日求太陽視差的方法就被徹底放棄了。
今日金星凌日觀測
金星凌日時的黑滴效應
從以上金星凌日的周期可看出，任何一人，一生中最多只可看到兩次金星凌日，少的一次也看不到。今年6月6日的這一次金星凌日，實在是難得的天賜良機。在我國的大部分地區(qū)，只要天氣晴朗，都能看到凌日的全過程。我們是不是該抓住時機，一飽眼福呢？
若想用肉眼去直接看清凌日時的金星是極其困難的。下合時的金星，盡管角直徑最大，但也只有30角秒左右，人眼很難分辨，所以要準備用望遠鏡觀測。利用望遠鏡觀測凌日現(xiàn)象時，一定要注意安全，保護眼睛不被強烈的陽光灼傷。為此，可以采用在望遠鏡前端加裝合適的濾光鏡或濾光膜的方法，但使用前應仔細檢查膜層是否完好，是否有小孔等瑕疵，或者采用投影的方法來觀測。無論采取什么樣的方法觀測，都不要長時間地凝視太陽，必須經(jīng)常讓眼睛休息片刻。
金星凌日過程與日全食類似，也分5個階段，即凌始外切、凌始內(nèi)切（入凌時的外切和內(nèi)切）、凌甚、凌終內(nèi)切、凌終外切（出凌時的內(nèi)切和外切）。金星在進入太陽圓面之前，是看不到的，而凌終外切之后金星也依然看不到。觀測時，除了凌甚不能直接觀測到外，要準確記錄金星圓面與太陽圓面4次相切的時刻，還應關注并記錄金星在日面上運行的路徑。為了精確測定這些相切的時刻，應當適當提高望遠鏡的倍率，比如用100倍~150倍。事先要查找到預報中凌始外切點在日面上的方位角，調(diào)整望遠鏡指向切點方向，開動轉(zhuǎn)儀鐘，注視視場中太陽圓面上預報的切點位置，等待金星黑色圓面的出現(xiàn)。
金星在入凌和出凌時會遭遇“黑滴效應”。當金星邊緣與太陽邊緣即將相碰而尚未真正接觸，或金星邊緣與太陽邊緣剛剛分開實際已經(jīng)脫離的時候，觀測者會發(fā)現(xiàn)有間斷的陰影把兩個天體的邊緣連接在一起。我們可以做個簡便的小實驗來體驗這種效應。請你對著亮光，將兩根手指逐漸靠攏，在它們靠得很近時，盡管你還沒有感覺到手指已經(jīng)接觸，但卻看到兩根手指之間的狹窄縫隙中已經(jīng)有陰影把它們連接了起來，就像是手指間有水滴一樣，這就是所謂的黑滴效應。黑滴效應是影響對入凌和出凌時的4次相切記時精度的重要因素。
在入凌和出凌階段，人們還會看到在金星視面的周邊環(huán)繞著一圈很細的光環(huán)，特別是此刻金星露在日面外的黑暗背景中的那部分圓邊，恰被包在該圈光環(huán)中，這些都直接證明金星上存在大氣層。光環(huán)是金星大氣層頂反射和散射陽光形成的。采用濾光鏡觀測與用投影方法觀測相比，可以更清楚地看到光環(huán)。觀測者觀測光環(huán)時，可以關注下列有趣現(xiàn)象，如光環(huán)大小的變化，亮度是否均勻，在太陽視面背景下能否看到它等等。
許多愛好者希望在凌日期間拍攝照片和錄像。拍攝凌日主要有三個項目：拍攝凌日特寫、凌日過程和黑滴現(xiàn)象。拍攝凌日特寫，望遠鏡的焦比應當能允許同時拍下金星、黑子和太陽的部分邊緣。視場不必覆蓋整條凌日路線，但要捕捉金星與黑子擦身而過的過程。拍攝凌日過程，一般要經(jīng)歷數(shù)小時，所以事先必須規(guī)劃好，比如每隔10分鐘或15分鐘拍攝一張照片等。記錄整個凌日過程，把所拍的照片拼合起來，就可以得到一張金星凌日的路徑圖。如果能準確捕捉四個相切時刻，就能拍下黑滴現(xiàn)象。拍攝黑滴現(xiàn)象時，使用網(wǎng)絡攝像頭最合適。在拍攝期間，應該用擋光物遮蔽數(shù)碼相機或CCD及攝像頭，以防溫度上升過高而增大噪聲甚至損壞設備。
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