第二节 水星
第二节 水星
我们将依据行星和太阳之间的距离由近及远依次讲述8颗大行星。第一颗便是水星。水星不仅是离太阳最近的行星，而且是8颗大行星中最小的一颗；因为实在是太小了，若不是它所处的地位，很难称之为大行星。它的直径比月球直径大50%，因为体积与直径的立方成正比，所以水星的体积是月球的3倍多。
水星轨道的偏心率在大行星中是最大的，但是，后面要讲的小行星中有一些的轨道偏心率超过水星。水星到太阳的距离变化幅度很大。其近日点距太阳不到2 900万英里，远日点与太阳的距离超过4 300万英里。其围绕太阳的公转周期不到3个月，更确切地说是88天，因此，水星一年围绕太阳公转四周之多。
水星围绕太阳公转四周有余，地球才公转一周，显而易见水星合日一定会有规律地出现，尽管时间间隔不尽相等。图26准确地呈现了水星视运动的基本形态。图中内圈代表水星轨道，外圈代表地球轨道。当地球在E点而水星在M点时，水星与太阳下合。3个月后，水星再次回到M点，但是不会出现合日，因为在此期间地球也在其轨道上向前运行。当地球到达F点时，水星到达N点并再次与太阳下合。这种从一次下合到另一次下合的周期运动叫作行星的会合（synodic）运动。水星的会合周期比实际公转周期长出不到1/3，也就是说，MN的弧长略小于圆周的1/3。
图26 水星合日
现在假设当地球在E点时，水星不在M点而接近轨道的最高点A，如图27所示。此时，从地球上看，水星与太阳的视距离最大；用专业术语说即在东大距上。水星在太阳东边时，会在日落后一小时15分至1小时30分逐渐落下。此时是观测水星的最佳时机。如果天气晴朗，日落后半小时至一小时即可在暮色中看到它。水星在西大距上接近C点时在太阳西边，此时它在日出前升起，出现在黎明的晨曦中。在东大距时（春季），可以将水星当作昏星来看；在西大距时（秋季），可以当作晨星来看。
图27 水星的距角
水星表面及自转
当水星接近东大距时，用望远镜对水星进行研究的最佳时间是傍晚，也可以在它早于太阳升起的黎明进行观测。如果水星在太阳东边，午后随时可以用望远镜观测，不过由于空气受到太阳光的干扰，很难有较好的观测效果。傍晚时分空气逐渐趋于平稳，观测效果较好。而在日落之后，大气层不断增厚，不利因素又开始加剧。基于上述情况，水星在所有行星当中最难以观测到令人满意的效果，导致观测者对其表面的观测结果也千差万别。
德国人施罗特（Schröter）第一个认为其可以观测到水星表面的任何特征。当水星呈现月牙形状时，他认为南面的尖角似乎有时会变钝，而这是高山的阴影造成的；通过观察尖角变钝的间隔时间，他推断出水星的自转周期是24小时零5分钟。但是，威廉·赫歇尔爵士用倍数更高的望远镜并没有观测到这种现象。(https://www.daowen.com)
从前几乎所有观测者都一致认同水星的自转时间是无法测定的。然而夏帕雷利（Schiaparelli）在1889年用一架精良的望远镜在意大利北部美丽的天空中注意到，水星的外观似乎日复一日地没有变化。于是他得出结论：水星面对太阳的是同一个面，就像月球面对地球的也是同一个面一样。洛威尔（Lowell）通过在弗拉格斯塔夫天文台（Flagstaff Observatory）的观测得出了同样的结论。然而这项观测的难度并没有使这一观点得到认同，谨慎的天文学家会说迄今为止我们对水星的自转还一无所知[1]。
水星相对于太阳的位置变化，令其同月亮一样也有位相。水星相对于地球的位置与其明半球和暗半球之间的关系决定了其位相。背对太阳的半球处于黑暗之中，在地球上永远看不到。当水星上合时，其明半球转向地球，看上去圆圆的形似满月。当水星从东距角向下合移动时，暗半球越来越多地转向地球，地球上能看到的明半球则越来越少。这种情况对观测造成了不利影响，不过在此期间水星离地球越来越近，成为从地球上观测明半球的有利条件，从而抵消了不利因素。水星的视形状和视大小在其会合周期的不同时段经历了一系列变化，与下一节要讲的金星非常相似。
水星上是否存在大气层是一个仍存争议的问题，普遍的观点持否定态度。似乎较为确定的是，水星上即便有大气层也极为稀薄，无法反射太阳光。[2]
水星凌日
显而易见，如果内行星和地球在同一个平面上围绕太阳公转，那么每一次下合我们都会看到内行星经过日面。然而任何两颗行星的公转轨道都不在同一个平面上。在所有的大行星中，水星的轨道与地球轨道的倾斜角度最大。如此导致当水星下合时，通常或远或近地经过太阳北边或南边。然而，如果此时水星恰好接近其中一个交点，我们就会看到水星如一个小黑点横穿日面。这个现象叫作水星凌日，这种凌日现象3~13年出现一次。因为可以准确地测定行星进入日面的时间以及再次离开的时间，所以这项观测引起了天文学家的极大关注；而且，凭借这些时间，便可掌握这颗行星确切的运动规律。
1631年11月7日，加桑迪（Gassendi）第一次观测到水星凌日。然而，由于其观测仪器的缺陷，他那次观测在当时没有任何科学价值。1677年，英格兰人哈雷（Halley）在到访圣赫勒拿岛期间也观测到了水星凌日，这次观测比之前的观测好一些，但也并不理想。从那以后，水星凌日得到有规律的观测。下面是一定时期中发生水星凌日的时间，以及地球上能观测的地点：
1937年5月11日，水星从太阳南侧边缘擦过。可见于欧洲，美国在日出之前也能看到。
1940年11月10日，可见于美国西部及太平洋诸州。
1953年11月14日，可见于美国全境。
自1677年以来，观测水星凌日成为最困扰天文学界的事情之一。水星轨道的位置在缓慢发生着变化。在所有已知行星的引力作用下，水星的近日点每百年向前移动的距离比其本应向前移动的距离远43"。这一误差由勒维耶（Leverrier）于1845年发现，此人因在海王星被发现之前计算出其位置而闻名。他认为，在水星和太阳之间存在一颗行星或者一群行星，其引力造成了这一误差。他的设想一经宣布便引得人们纷纷寻找这假想中的行星。1860年，法国乡村医生勒卡尔博博士（Dr. Lescarbault）认为他用一架小型望远镜看到了一颗行星经过日面。但是他的观测很快被证实是错误的。另一位更有经验的天文学家也在同一天观测了太阳，却只看到了一个普通的黑子，除此什么也没有看到。也许正是这个黑子误导了那位医生天文学家。之后许多年间，每天都有人在各地仔细查看太阳并拍照，但没有发现此类东西。
然而在上述区域仍然有可能存在那颗小行星，因为太小而在经过日面时没有被捕捉到。如果事实如此的话，其光芒将被天空的光辉完全遮蔽，以至于平常不会被看到。然而仍然是有机会看到的，即在日全食期间，当太阳光被遮蔽以后。观测者不时在日全食期间寻找着它们。有一次真的发现了类似的东西。1878年日全食期间，两位才干与经验兼具的教授，安娜堡詹姆斯·C.的沃森（James C.Watson）和路易斯·斯威夫特（Lewis Swift）认为他们发现了类似的天体。但是严格的观测证实，沃森看到的是一对在那里永远固定不动的星星。斯威夫特教授的观测从未经过查证，因为他无法确定结论是肯定的。
尽管屡次寻找未果，观测者仍然在几次主要的日全食期间继续寻找。笔者曾在1869年和1878年日全食期间用一架小型望远镜寻找过。如今，皮克林（Pickering）教授和坎贝尔（Campbell）教授在1900年和1901年的日食发生时使用了强大的照相技术。坎贝尔对1901年日食进行观测的结果是目前最具决定意义的。他用照相望远镜拍摄了大约50颗星，有一些非常昏暗，相当于8等星，不过这些星星都是我们已知的。因此，似乎可以肯定的是在所论及的区域没有比8等星更明亮的水内行星，而且几十万颗这样的星星才能造成已知的那种水星的运动现象，数量如此庞大的星星将使那一片天空比我们所见过的都更加明亮。可以肯定的是，水星近日点的运动不可能是水内行星造成的。除了上述发现，都不支持这颗行星的存在，还有一点是，如果这颗行星是存在的，那么它将引起水星或者金星抑或二者交点的位置都发生相似的变化，尽管变化会比较小。
1916年，爱因斯坦提出了广义相对论。根据相对论原理进行计算，每100年间，水星轨道近日点的移动比按照牛顿力学原理计算出的结果多43秒，这刚好和观测结果一致，这也成为相对论正确性的一个佐证。
[1]1965年的观测表明，水星公转两周的同时自转三周。——编者注
[2]现在的研究表明，水星表面有极稀薄的大气，几乎可以忽略不计。——编者注
