今年6月6日人们将能观赏到金星凌日奇景。说是奇景，因为是极其罕见的天象。届时金星看起来是一个小小的黑点，从太阳的东边缘进入，在明亮的太阳圆面上缓缓移行，历时6个小时，最后从太阳西边缘移出。金星侵入到日面，“凌”正是侵犯的意思，所以称凌日。人类关注金星凌日已有数百年之久。

　　金星的视运动

　　金星的轨道在地球轨道之内，它与水星一起，通常称为内行星或地内行星。它到太阳的平均距离约0.72天文单位（1天文单位为1.5亿千米)，公转周期为224.695日。

　　金星从太阳的东边缘进入，在明亮的太阳圆面上缓缓移行，历时6个小时，最后从太阳西边缘移出

　　当一颗内行星绕太阳公转时，地球上会看到一些重要的运动特征。如东大距和西大距，它们是从地球上看内行星与太阳距离的张角最大的地方。对金星而言此角为45°~48°。金星的东大距发生于夕阳西下之后，这时候的金星又以长庚星为名闪耀夜空；而西大距则发生于朝阳东升之前，这时候的金星作为启明星高悬苍穹。若通过望远镜观测，可以看到被太阳照亮的金星正巧有一半面向观测者，呈现出与月亮上弦或下弦相类似的位相。内行星还会出现上合（行星位于地日连线的外侧，也称为外合）和下合（行星位于地日连线的内部，也称为内合）的天象，从地球上看去它们与太阳在同一方向上，但一般来说，除了下合时发生凌日这一特殊情况外，此时我们看不到它们。

　　与凌日密切相关的是下合。根据地球和金星的会合周期以及它们各自的公转周期就可以很容易地算出下合时间来。在连续两次下合期间，地球转过了1.5987周（360°+215°31），而金星则要转过2.5987周（720°+215°31）。以2004年6月8日的这次金星下合（这一次适逢凌日）为例，其后的第一次下合发生在2006年1月13日，以下的第二次至第五次发生在2007年8月18日、2009年3月28日、2010年10月30日和2012年6月6日（这一次又是凌日）。

　　若内行星下合时，地球、该行星和太阳三者恰好又位于一直线上，这时就发生凌日了。由于行星的视直径远比太阳小得多，所以它在太阳表面只能呈现为一个小黑点。并不是每一次金星下合都会发生凌日，这是因为金星绕日运动的轨道面与黄道面有倾角，这个倾角约3°24。只有当金星运行到其轨道面与地球轨道面的交线的同时又处于下合时，才会看到金星凌日。在天文学上讨论天体的运动时，把天体连同它们的轨道都投影在天球上，地球轨道面在天球上的投影称为黄道。金星轨道面与地球轨道面的交线在天球上投射出两个交点。当金星沿着轨道运行，从黄道以南进入黄道以北所经过的交点称为升交点，反之，另一个交点称为降交点。在升交点和降交点都能发生凌日。

　　根据计算，金星凌日平均每243年才发生4次。水星凌日的情况也类似，可是频次要高得多，平均每世纪发生13次。

　　金星凌日的周期

　　从金星的公转周期和地球的公转周期（365.25636日）可以算出从金星的一次下合到下一次下合的时间间隔（会合周期）为583.92日。从数学上容易理解，金星凌日的周期必须既是会合周期的倍数，又是金星公转周期和地球公转周期的倍数。天文学家们计算出的243年的金星凌日周期，约为88757日，相当于152个金星会合周期，395个金星公转周期和243个地球公转周期。经过这段时间间隔后，金星与地球差不多同时回到各自轨道上的同一位置。

　　地球大致上在每年12月10日前后经过金星轨道的升交点，在每年6月8日前后经过金星轨道的降交点，因此金星凌日只能发生在这两个日期前后。

　　金星轨道面与黄道面的夹角导致并非每次下合都会凌日。另一方面，这个夹角的大小又决定了相隔8年形成一组凌日的特点。设想若太阳在天空只是如同金星般大小的一个“光点”，则必然要求金星正好到达交点上时才会发生下合，进而形成凌日现象。事实上，太阳在天空中是一个有一定大小的“光盘”，它的视直径平均约为32′。这样，当金星在天空运行到与交点有一定角距离下合时，仍能发生凌日。考虑到这种情形有可发生在交点的东、西两边，所以这样一段距离的极大值的两倍称为凌日限。只要金星下合在凌日限内发生，就能观测到金星凌日。在观测者位于地心的理想状态下，凌日限的宽度约为8°，即在交点之东和之西各4°。考虑到各种具体情况，实际上凌日限约为6°左右。例如2004年6月8日下合发生凌日时金星在轨道上位于降交点之东1°24′（我们把轨道上的这一点称为凌日点），而2012年6月6日下合时凌日点将在降交点之西1°1′，都在交点之东或之西的3°之内，故这两次下合之际都能观测到凌日。这两次凌日相差8年（少两日），而凌日点向西移动了2°25′。

　　前面给出的金星会合周期约为1.5987年，近似为1.6年，所以8年前后的两次凌日，正好经过了5次下合。我们知道，两次相邻会合的会合点之间相距约216°，而五次以后的会合点，则几乎回到了原来的位置上了。因为216°×5=1080°（360°×3），也就是会合点移动了3周。但是，请注意实际的会合周期比1.6年要略小一些，这使得实际上五次以后的会合点移动了1077°35。这就是说，五次以后的会合点，比原来的位置要向西移动约1080°-1077°35=2°25。金星与黄道的交点（升交点和降交点）也在移动，移动的速度平均约0.0090°/年。以这样小的移动速度，交点在8年内的移动量才约4，相对于会合点的移动完全不会产生可观的影响。以2004年6月8日与2012年6月6日两次凌日的情况为例，可以看出，这两次相邻凌日之间，也就是五次会合之后，凌日点（也就是会合点）向西移动了2°25。2004年的凌日是在凌日限之内，8年以后会合点虽然西移了，但仍在凌日限之内，所以2012年也会发生凌日，而且由于凌日点西移了2°多，凌日发生的日期提前了2天。

　　那么，再过5次会合之后的2020年，会合点再要西移2°多，将会越出凌日限。以后每过五次会合，会合点不断西移，每过8年才移动2°多，何其缓慢！一直要等到会合点移动进入另一个交点的凌日限内才会再次发生凌日。这一等就是一百多年！那时，凌日点在凌日限内移动1次，不会越出界限；再移动1次，却到了凌日限之外了。所以，发生金星凌日总是一组两次，相隔8年。

　　对于8年的金星周期，我国的天文学家早在2200多年前就发现了。成书在西汉的《五星占》写道：“五出，为日八岁，而复与营室晨出东方。”这是说金星的五个会合周期恰好等于8年，即金星在8年前或8年后会在相同的时间里复现在相同的星座。这说明我国古代天文学家早已掌握了金星与地球在运行中相对位置变化的规律。

　　金星凌日可分为两种：一种是降交点的金星凌日，它发生在6月8日前后。这时金星由北往南经过日面；另一种是升交点的金星凌日，它发生在12月10日前后，这时金星由南往北经过日面。人们可能以为，降交点和升交点的金星凌日是成对地交替出现的，在数量上不分轩轾。其实不然，两者在数量上并不相等，降交点的金星凌日比升交点的多。例如，通过计算可知，从公元902年至3097年，共出现19组金星凌日，而能观测到的只有33次，其中降交点凌日有19次，而升交点凌日只有14次。原因在于，金星在降交点时，距离地球较远，达4321万千米；而在升交点时，距离地球较近，只有3947万千米。在同等条件下，如果距离地球较远，金星凌日发生的几率就较高。

　　从降交点凌日到升交点凌日经过105.5年，而从升交点凌日到降交点凌日则要经过121.5年。相比之下，后者比前者多16年，也就是两个五次会合。在降交点凌日时，凌日点偏于凌日限的西边缘。当经过13个五次下合加上1年半（共105.5年）之后，凌日点进入升交点凌日限的东边缘。在发生两次凌日，凌日点离开升交点凌日限后，凌日点要多向西移4°多才能进入降交点的凌日限，这就是由降交点凌日到升交点凌日要多16年（2个五次下合）的原因。

　　金星轨道的两个交点是自西向东移动的，在短期内这种移动的影响不大，但是经过长时期的日积月累，效应也就显现了。2004年6月8日金星凌日比1761年6月6日金星凌日推迟了两天，即在243年中，金星的降交点向前（向东）移动了2°11，对于地球的轨道运动来说，必须再过两天才能到达这个交点。

　　观测金星凌日的历史及科学意义

　　有记载的人类历史上第一个用肉眼观察金星凌日的人是古代阿拉伯自然科学家兼哲学家法拉比（870年~950年），他在一张羊皮纸上写道：“我看见了金星，它像太阳面庞上的一粒胎痣。”从他所处的时代来看，法拉比目睹到这次金星凌日发生在公元910年11月24日。

　　英国天文学家霍罗克斯正在通过望远镜观察1639年的金星凌日，他和好友克拉布特里是世界上第一个用天文望远镜观察金星凌日的人。
 

　　1768年到1771年，英国著名航海家库克来到南太平洋测绘了新西兰和澳大利亚海岸，并进行了金星凌日的观测。

　　德国天文学家开普勒（1571年~1630年）是历史上第一个预告金星凌日的人。他在1629年出版的《稀奇的1631年天象》一书中写道：1631年12月7日将发生金星凌日。

　　世界上第一个用天文望远镜观察金星凌日的是英国天文学家霍罗克斯（1619年~1641年）和克拉布特里。他们在1639年12月4日用望远镜观察到了那天发生的金星凌日。

　　俄国科学家罗蒙诺索夫（1711年~1765年）在观察1761年6月6日发生的金星凌日时，发现金星在进入太阳边缘时阳光产生奇特现象，从而推断金星有大气存在。这是人类首次发现其它行星上的大气。

　　英国天文学家哈雷（1656年~1742年）发现观测金星凌日能测定地球到太阳的距离。他曾提出过一种精确测定太阳视差的理想方法。但是以后的金星凌日必须等待到1761年和1769年才会发生。哈雷知道他此生将无缘参与其事，但是希望后人按他给出的方法去测定地球到太阳的距离。

　　在1761年和1769年的这两次凌日发生之前，许多天文学家便作了准备，并且派出不少远征队到世界各地去。由1761年的凌日得到的结果从7.5角秒到10.5角秒都有，弥散度很大，所以天文学家们期待着1769年的凌日观测能得到更好的数值。

　　1768年到1771年，英国著名航海家库克（1728年~1779年）首航来到南太平洋，测绘了新西兰和澳大利亚海岸。不过，他还有另一项重要的任务。英国皇家学会委托他在南半球与北半球的天文学家们同时进行金星凌日的观测。1769年6月3日，这一天天气十分晴朗，库克在塔希提（太平洋中南部澳大利亚东面向风群岛中最大的岛屿，现为法国属地）观测了金星凌日的全过程。其他的天文学家在美洲的下加利福尼亚、休斯顿和欧洲北部的挪威观测到了这次天文事件。法国天文学家拉朗德（1732年~1807年）集中了他们的所有结果，算出太阳距离地球1.33亿千米，这个结果比现代值1.496亿千米稍小。后来，法国天文学家潘格雷（1711年~1796年）分析了当时的全部资料，于1775年算出了太阳视差相当接近于8.8角秒。现在看来这是一个相当精确的数值，可惜当时没有引起人们的注意。

　　在这两次金星凌日的观测热潮中，最不走运的要数法国天文学家勒让蒂了。他于1760年出发前往法属印度的庞地谢里。他在旅途的船上冥思苦想解决问题的方法，得到的结论却毫无科学价值，所以他决定继续留在当地，等待1769年的那次凌日，但凌日那天却恰逢乌云遮蔽天空，不能观测。不久后他回到法国，却发现财产已被他人分割，职位也已被他人占据了。

　　德国天文学家恩克（Encke）于19世纪初深入探讨了前人的太阳视差测量结果后，在1824年公布的结果是8.57角秒，地球距离太阳1.53亿千米。这个数值在19世纪上半叶被天文学界公认。1865年，美国天文学家纽康（1835年~1909年）将当时可用的数据综合讨论后，求得的数值是8.85角秒。

　　在1874年与1882年又先后发生了两次金星凌日。许多国家的天文学家作了大量准备工作，希望由观测求得更好的数值。可是由于观测上的困难，引入了严重的误差。天文学家由前一次观测求得的太阳视差值在8.76角秒与8.91角秒之间；由后一次求得的数值在8.80角秒与8.85角秒之间。纽康重新综合前两世纪的4次金星凌日，于1895年又重新得出了一个太阳视差的结果：8.797角秒。这是一个相当精确的数值（今值为8.7941角秒，相当于1.49597870亿千米）。到了20世纪，由于人们已经有了更加精确的方法，利用金星凌日求太阳视差的方法就被彻底放弃了。

　　今日金星凌日观测

金星凌日时的黑滴效应

　　从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两次金星凌日，少的一次也看不到。今年6月6日的这一次金星凌日，实在是难得的天赐良机。在我国的大部分地区，只要天气晴朗，都能看到凌日的全过程。我们是不是该抓住时机，一饱眼福呢？

　　若想用肉眼去直接看清凌日时的金星是极其困难的。下合时的金星，尽管角直径最大，但也只有30角秒左右，人眼很难分辨，所以要准备用望远镜观测。利用望远镜观测凌日现象时，一定要注意安全，保护眼睛不被强烈的阳光灼伤。为此，可以采用在望远镜前端加装合适的滤光镜或滤光膜的方法，但使用前应仔细检查膜层是否完好，是否有小孔等瑕疵，或者采用投影的方法来观测。无论采取什么样的方法观测，都不要长时间地凝视太阳，必须经常让眼睛休息片刻。

　　金星凌日过程与日全食类似，也分5个阶段，即凌始外切、凌始内切（入凌时的外切和内切）、凌甚、凌终内切、凌终外切（出凌时的内切和外切）。金星在进入太阳圆面之前，是看不到的，而凌终外切之后金星也依然看不到。观测时，除了凌甚不能直接观测到外，要准确记录金星圆面与太阳圆面4次相切的时刻，还应关注并记录金星在日面上运行的路径。为了精确测定这些相切的时刻，应当适当提高望远镜的倍率，比如用100倍~150倍。事先要查找到预报中凌始外切点在日面上的方位角，调整望远镜指向切点方向，开动转仪钟，注视视场中太阳圆面上预报的切点位置，等待金星黑色圆面的出现。

　　金星在入凌和出凌时会遭遇“黑滴效应”。当金星边缘与太阳边缘即将相碰而尚未真正接触，或金星边缘与太阳边缘刚刚分开实际已经脱离的时候，观测者会发现有间断的阴影把两个天体的边缘连接在一起。我们可以做个简便的小实验来体验这种效应。请你对着亮光，将两根手指逐渐靠拢，在它们靠得很近时，尽管你还没有感觉到手指已经接触，但却看到两根手指之间的狭窄缝隙中已经有阴影把它们连接了起来，就像是手指间有水滴一样，这就是所谓的黑滴效应。黑滴效应是影响对入凌和出凌时的4次相切记时精度的重要因素。

　　在入凌和出凌阶段，人们还会看到在金星视面的周边环绕着一圈很细的光环，特别是此刻金星露在日面外的黑暗背景中的那部分圆边，恰被包在该圈光环中，这些都直接证明金星上存在大气层。光环是金星大气层顶反射和散射阳光形成的。采用滤光镜观测与用投影方法观测相比，可以更清楚地看到光环。观测者观测光环时，可以关注下列有趣现象，如光环大小的变化，亮度是否均匀，在太阳视面背景下能否看到它等等。

　　许多爱好者希望在凌日期间拍摄照片和录像。拍摄凌日主要有三个项目：拍摄凌日特写、凌日过程和黑滴现象。拍摄凌日特写，望远镜的焦比应当能允许同时拍下金星、黑子和太阳的部分边缘。视场不必覆盖整条凌日路线，但要捕捉金星与黑子擦身而过的过程。拍摄凌日过程，一般要经历数小时，所以事先必须规划好，比如每隔10分钟或15分钟拍摄一张照片等。记录整个凌日过程，把所拍的照片拼合起来，就可以得到一张金星凌日的路径图。如果能准确捕捉四个相切时刻，就能拍下黑滴现象。拍摄黑滴现象时，使用网络摄像头最合适。在拍摄期间，应该用挡光物遮蔽数码相机或CCD及摄像头，以防温度上升过高而增大噪声甚至损坏设备。