残阳与新月的交辉·新月篇 ——解读一首唐诗的科学道理之二



望远镜拍摄到的蛾眉月(来源:网络)


本篇将继续上篇解读白诗"暮江吟"的第3和第4句,这两句提到月亮,涉及时令、月相和露水。

请再读一遍白诗"暮江吟":

一道残阳铺水中,半江瑟瑟半江红。

可怜九月初三夜,露似真珠月似弓。

这首诗描写的时间是"九月初三"。传统建寅历法中的九月属于戌月,这个月的节气是寒露,中气是霜降。九月初相当于寒露节气前后,时令已经到了深秋。寒露是二十四节气中的第十七个,秋季的第五个是一个名称反映气候变化特征的节气;公历中出现在10月7~9日,这时的太阳黄经是195°。太阳直射点高度下降的趋势从白露节气加速以来,经秋分到寒露开始趋缓,实际上这时已经跌落到离最低点不远,我们可以隐约听到冬天的脚步声了。从白露起,地面和树叶上便会出现露珠;寒露,顾名思义是露水已经很冷,行将凝结 成霜。《月令七十二候集解 》说:"九月节,露气寒冷,将凝结也。" 这一节气时届季秋,标志着天气由凉转变为冷。

美丽的深秋景色(来源:网络)


夜晚,观望深秋的星空,天空似乎也沾染了地面的萧疏之气,现出零落之象。《诗经·豳风》有句云:"七月流火,九月授衣","火"即大火星(心宿二天蝎座α),""这里的意思是向西方沉落;到了九月寒露时节天气转凉,要增添衣衫了。这时,不要说盛夏称雄南天的心宿二早已西沉,曾经在夏秋之交的星空里辉煌夺目的牛郎织女和天津四等一等亮星也已西移下沉,整个秋天的星空一片暗淡寂寥,没有什么明亮的星星。唯一可数的的只是东南方地平线上方不高处的一颗一等亮星北落师门(南鱼座α),但在中国北方并不瞩目。也许,这就是诗人喟叹"可怜"的缘由吧。不过,联系这两句来读,诗人似乎更着意于"初三"的这一弯月亮。

这弯蛾眉月确实"可怜":论大小非常纤细,论光亮十分暗淡,论位置局处西南天空一隅的低空,论留空时间太阳下沉后显现在蒙影中,继太阳下沉后不久也将没入地平。


初三的蛾眉月(来源:网络)


诗人心中藏着一轮明月,他的作品中不乏吟咏明月的诗词,请回忆前面的"明月几时有"篇中曾举过一首白居易的"八月十五日夜同诸客玩月"诗,其中有句"月好共传唯此夜"这是诗人心目中多么明亮的一轮"好月"!

白居易与明月(来源:网络)


这里再举两例如下。请读白居易《忆江南》词系列中之"忆江南·江南忆":

   江南忆,最忆是杭州:
山寺月中寻桂子,郡亭枕上看潮头,

何日更重游?

希冀蟾宫折桂而欲于月中"寻桂",非望日之明月不可得。

白居易词《忆江南》系列之一(来源:网络)


再请读律诗"江楼夕望招客":

海天东望夕茫茫,山势川形阔复长。
     灯火万家城四畔,星河一道水中央。

风吹古木晴天雨,月照平沙夏夜霜。
     能就江楼消暑否?比君茅舍较清凉。

能在"平沙"上照出"夜霜"般光亮的自然只能是明月了。这初三的似弓弯月实在不能与明月相比,诗人于是生发了"怜悯"之情。

江楼招客夕望诗意(来源:网络)


那么明明在望日能攀上中天、遍洒银辉的明月,那样堂皇和辉煌,怎么会"沦落"到如此境地呢?这要从月相的成因说起了。

   月球自身不发光,它之所以发亮是因为反射了来自太阳的光。实际上在太空中的月球总是有半面朝向太阳,这一面就如我们望日所见那么明亮。所不同的是月球在自转,它的自转周期等于公转周期,即27.32日;在它环绕地球转过1周的期间,它的整个表面都能被照亮,而不同于我们在望日总是几乎只能见到同一面(即所谓正面)。但是,当我们从地球上去观察月球时,所能见到的月球表面却不是整个被照亮的半面了。能见的部分随着地球绕太阳和月球绕地球公转,三者的相对位置改变而改变,产生了月相。

关于月相变化,我国宋代科学家沈括在《梦溪笔谈》中阐述道:"月本无光,犹银丸,日耀之乃光耳。光之初生,日在其傍,故光侧而所见才如钩;日渐远,则斜照,而光稍满。如一弹丸,以粉涂其半,侧视之,则粉处如钩;对视之,则正圆,此有以知其如丸也。"这是相当科学的一段论述,让我们作进一步的说明。

沈括与《梦溪笔谈》(来源:网络)


当太阳、月球、地球三者相对位置不同时,地球上的人们从不同的角度去看月亮被照亮的部分,于是显示出不同的位相。如下图所示,太阳光从右侧射来。实际上,月球绕地球公转轨道所在的白道平面与地球绕太阳公转轨道所在的黄道平面有约5°9′的交角,也就是说月球绕地球转动的平面稍有倾斜。下面的讨论忽略这个交角,把太阳、地球和月球都放在同一个平面上,请参看下图。

  蛾眉月 盈凸月   亏凸月  残月

月相变化示意图


图中月球在位置1时,它被太阳照亮部分完全背着地球。这种月相称为朔。在天文学上定义朔为地心、月心与日心位于同一方向的那一瞬间;这一瞬间所在的那一日,称为朔日。我国的传统历法和当前还在应用的农历是典型的阴阳历,以朔日作为每个月的初一。朔日以后,月球逐日向东远离太阳。

在图中位置2,约在农历初三到初六七的黄昏,蛾眉状的月球挂在西方的天空,被照亮的凸出部位朝向西方下落的太阳,这时的月相称为蛾眉月或新月。新月总是出现在西方的天空,我们不可能看到它从东方升起,因为它升起时正是白天。在我们看到它的几个小时里,在子夜之前,它便沉落到西方的地平以下。

在图中位置3,大约在农历初七八,月球西侧的半个月面被太阳照亮,这时的月相称为上弦。这时地心月心与地心日心两条连线的交角等于90°。上弦月的升起也不可见,当我们刚能见到它的时候,往往是在太阳刚落到地平线上,它出现在正南方的天空,即在过上中天的前后。随后逐渐西沉,通常在子夜的时候沉落到地平以下。

在图中位置4,人们看到月球西侧半个月面被照亮以外,东侧也有被照亮的凸出部分,而且这种凸出逐日增大,保持着大半个明月生光。这种月相称为盈凸月。人们也见不到盈凸月的升起,但当太阳一落入地平,能见到它出现在东南方的天空。然后逐渐升高,直至过上中天,随后逐渐向西方下落,子夜以后才没入地平。

在图中位置5,约在农历每月十五日或十六日,地球正好位于太阳和月球之间。这时观测者所见的整个月面都被太阳照亮,这一月相称为望,又称满月。望定义为月心、地心与日心位于同一方向的那一瞬间;这一瞬间所在的那一日,称为望日。这一天的月亮正是历代诗人吟咏的"明月"。太阳在西方地平下落,满月正从东方地平升起。它在子夜过上中天,当翌日太阳东升之际,它下落到西方地平。望日以后,月球逐日从西边"追赶"太阳。

低绮户的明月(来源:网络)


在图中位置6,人们看到月亮保持着东侧半个月面被照亮,西侧的明亮部分逐日减小,但仍是大半个月亮熠熠生辉。这种月相称为亏凸月。亏凸月在黄昏以后从东方地平升起,但人们见不到它在西方地平下落,因为那已是在清晨太阳升起以后。

在图中位置7,约在农历每月二十二日前后,月面的东侧那一半被太阳照亮,这时的月相称为下弦。它定义为这时地心月心与地心日心两条连线的交角等于270°。下弦月在子夜从东方地平升起,在太阳升起时过上中天,然后隐没在清晨的阳光中。

在图中位置8,月球再次呈现为蛾眉状,但其凸出部分朝向东方未升起的太阳,这时的月相称为残月。残月在子夜后从东方地平升起,升起的时间逐日推迟,直到清晨与太阳同时升起。这时月球经过残月又回到了朔,再度进入新一轮的月相变化。


连续两次朔(或望)的时间间隔为1朔望月,由于月球运动的复杂性,长度在29日至30日之间变化,但其平均值十分稳定,为29.53059日。由于月球的自转周期与公转周期相等,使得我们在地球上只能看到月球的一面。

月球以同一面对着地球示意图


天文学家往往用"月龄"来定量地表示月相,月龄以日为单位,将每月朔的时刻定为月龄等于0,而朔望月结束时定义月龄等于29.5。于是,上弦、望和下弦的月龄分别为7.4,14.8和22.1,但新月、盈凸月、亏凸月和残月因为在朔望月周期中没有确定的时刻,所以无法与明确的月龄相对应。然而,如果给出了某月某日某时刻的月龄值,天文学家立即可以知道对应的月相是什么情况,这说明月龄是朔望月中对月相的更精确的描述。月龄既然表示月相,也反映了月球与太阳的相对位置和相对亮度。下表展示月龄与后面两个量之间的关系。


表   月龄与月日方向的交角和相对亮度的关系

月龄

朔 3  5   7 上弦  9   11  13  望  17  19  21  下弦  24  26  28

月球方向与太阳方向的交角

0°37° 61° 85°  90°  110° 134°159° 180° 207° 232° 256° 270°  293° 317° 341

相对亮度

0  0.7  2.6  6.8   8.3   16    30    58   100   49    26    13    7.8    3.6   1.1   0.2


表列的相对亮度只是理论上的数值。实际上初三的月亮在天空露面的时候,它的这一丁点儿亮光正处在黄昏天空散射光并继之以蒙影的掩盖之下;待太阳彻底西沉,天空漆黑一片的时候,这细细的似弓弯月已接近地平,遭受强烈的大气消光。本来只有满月0.7%的那么一点亮光,还要遭受这层层"盘剥",你说可怜不可怜?


最后聊聊似"真珠"般的露水。露珠的出现,当在夜更深之后,因为白天在太阳照射下地面积蓄了热量,有待在太阳落山后慢慢发散,直到一定时间以后才能凉到让空气中的水汽凝结成露。

叶片上的晶莹露珠(来源:网络)


露珠是由水汽凝结而成的,水汽是呈气态的水。大气中的水汽来源于水面、潮湿物体表面和植物叶面等的蒸发和蒸腾,其含量因时因地而异。按容积计算其变化范围在0~4%之间,热带多雨地区可达4%以上,寒冷干燥地区几乎近于零。其垂直分布为主要集中于离地面2~3千米的气层中,高度愈高,水汽愈少,云、雾、雨、露、雪、霜等都是水汽的各种形态。水汽含量在大气中变化很大,是天气变化的主要因素。水汽的蒸发和凝结能吸收和放出热量,直接影响到地面和空气的温度,影响到大气的运动和变化。

空气中水汽的绝对含量用水汽压表示,这是水汽在大气总压力中的分压力,以毫巴为单位。空气吸收水汽有一定限量,达到了限量就不再吸收,这个限量称为"饱和点"。空气中水汽达到饱和点时的水汽压,称为饱和水汽压(或称饱和蒸气压)。饱和水汽压是温度的函数,随温度升高而增大,参见下图。

饱和水汽压与温度的关系(来源:网络)

气象学上定义相对湿度表示空气潮湿的程度,定义为实际水汽压与同温度下饱和水汽压之比(用百分数表示)。相对湿度越小,表示空气里水汽含量越少,空气越干燥;空气完全干燥时,相对湿度为零。反之,则空气中水汽较多,当相对湿度接近于100%时,空气很潮湿,几乎达到饱和状态。自从公历6月份进入仲夏以来,一方面由于季风带来海洋的大量水汽,另一方面由于气温升高地表水加速蒸发,空气湿度大,我们之所以感到闷热正由于此。过了二、三个月后,到了初秋和仲秋,白天由于日照的时间尚长,气温还较高,饱和水汽压也高,空气的湿度还大。到了晚上,地面在白天吸收的热量慢慢向外释放,温度降低,饱和水汽压随之降低,空气里蕴含的多余水分不再能保持气态,于是在地表和树叶、草坪等温度较低的的面上开始凝结,形成露珠。

花朵上的露珠(来源:网络)


  白居易生活于盛唐以后朝政腐败、宦官擅权、社会动荡、民生凋敝的时代,他本人在宦海几经浮沉。他创作了许多揭露朝政弊端、反映民生疾苦的作品。这首"暮江吟"诗乃见景生情、有感而发的悲秋之作,这种情感在他的另一首诗"秋思"中得到更明显的体现,巧的是也咏及彤红的"夕照"和初三的新月。诗云:

夕照红于烧,晴空碧胜蓝。
     兽形云不一,弓势月初三。

雁思来天北,砧愁满水南。
     萧条秋气味,未老已深谙。

诗歌透露了作者难抑悲悯和稍显消沉的情绪,可能写作于在朝中与顽固派斗争受挫遭贬之后。

深秋图景(来源:网络)


白居易是笔者深深敬仰的大诗人,笔者有幸以他的一首诗为由头传播若许科学知识,为表达对先贤的感念之意,谨以唐宣宗李忱悼念白氏的诗"吊白居易"作结。诗云:

缀玉联珠六十年,谁教冥路作诗仙?

浮云不系名居易,造化无为字乐天。

童子解吟长恨曲,胡儿能唱琵琶篇,

文章已满行人耳,一度思卿一怆然!

白居易逝世于唐武宗会昌六年(公元846年)八月,即唐宣宗即位后五个月。宣宗的这首诗简要地介绍了白氏的生平事迹,对他诗文创作作出了高度评价,可以作为对白氏一生的概括和颂扬。

白居易塑像(来源:网络)