本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
诸如最近于 2019 年 7 月 2 日发生在南美的日食，仅仅是因为月球的阴影投射到地球表面而造成的。但这需要非常特殊的几何对齐和时间安排，即使您了解轨道力学，也绝对不是一件容易预测的事情。
然而，在过去的大约 5000 年里（可能更早），人类已经能够对月食和日食做出半准确的预测（尽管绝非高度准确）。即使他们没有掌握轨道性质和我们当地宇宙的三维状态。
其原因既复杂又微妙。月球轨道相对于地球绕太阳公转的轨道平面倾斜约 5.1 度。这意味着月球在每个月球轨道中会两次穿过地日平面。这个交叉点称为交点。当我们在新月时——太阳、月球和地球大致对齐，太阳和地球夹着月球——在天空的交点周围大约 17 度内（实际上是大约 15.4 到 18.6 度，因为月球轨道和地球轨道都是椭圆形的），那么地球表面的某个地方就会出现日食（偏食或全食）。
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由于月球轨道相对于这种对齐方式的周期为 29.53 天——称为朔望周期，它比实际的 27.3 天轨道周期稍长，因为地球-月球绕太阳运动（呼），并且太阳大约需要 34.5 天才能穿过 17 度半径的日食区（您还能跟上吗？），因此在此期间最多可以发生 2 次日食。关键是要弄清楚这些所谓的“日食季”何时会发生。
解决这个难题的第一步是注意到，大约半年后，月球有机会在地球-太阳对齐的魔术 17 度范围内再次穿过地日平面（另一个交点）。因此，可以在第一个日食季之后大约 173.3 天预测第二个日食季。这还不到半年，因为月球交叉节点的位置每年也会在经度上移动约 19 度。
这一切的结果是，大约 11% 的连续日食发生在相隔大约一个朔望月的时间，大约 23% 发生在相隔 5 个朔望月的时间，大约 66% 发生在相隔 6 个朔望月的时间。
到目前为止一切顺利，但在更长的时间尺度上还有另一组复杂的情况。这就是所谓的沙罗周期。做好准备。因为朔望月（29.53 天）与近点月（27.55 天，月球在其轻微的椭圆轨道中在最接近地球的两次到达之间的时间）以及交点月（27.21 天，通过同一轨道交点之间的时间）非常非常相似，因此存在谐波行为。换句话说，就像音乐的和谐一样，当事物进入特定的对齐时，会出现一种拍频或周期。
沙罗周期大约是 18 年 11 天 8 小时，并且与具有非常相似几何形状的日食（包括日食和月食）的重复相对应——阴影路径穿过地球时看起来非常相似，只是每次在经度上移动大约 120 度。这意味着在 54 年 34 天后，您将回到地球同一部分上相同的日食几何形状。这些日食也将发生在每年的同一时间。
但是，在更长的时间尺度上，像这样的沙罗系列也会漂移过地球的纬度，从偏食变为全食再变回偏食，最终会结束，因为周期、交点和轨道的微小差异会将事物移出和谐状态。这意味着在任何给定时间都有几十个沙罗系列在发挥作用——任何给定的日食都属于一个特定的相位系列。一个系列将持续大约 69 到 87 次日食，或大约 1,226 到 1,550 年。最近于 2019 年 7 月 2 日发生的日食是沙罗周期 127 的一部分。
到目前为止，您可能会希望这就是全部，是所有需要担心的事情。然而，还有更多。例如，“依奈克斯”是一个 358 个朔望月的周期（略低于 29 年），如果日食（例如）发生在南半球，那么在经过正好一个依奈克斯的时间后，将会在北半球看到一个日食。还有其他的：特里托斯（11 年 1 个月），麦冬周期（19 年），艾克塞利戈斯（三个沙罗）。然后还有一些周期是沙罗周期和依奈克斯周期的组合，跨越数千年，允许预测日食阴影中心路径的地理纬度和经度，分别称为精确度和太阳回转器。
所有这些的底线是，今天，凭借对轨道力学和计算的掌握，我们实际上不需要知道所有这些事情，我们可以简单地使用我们的数字天象仪对地月日系统进行建模，并计算出日食预测和详细信息的表格。但是对于几个世纪和几千年以来的人类来说，这些周期和模式对于认识到日食（和月食）不仅仅是随机的，以及试图预测它们的复发至关重要。事实上，从这些特征中，我们知道在过去的 5000 年里发生了 11,898 次日食。
人们只能惊叹于过去的的天文学家所进行的细致观察和记录，正是这些鼓励他们尝试进行这些预测。
鸣谢：我在这里写到的许多细节来自这个 NASA 网站上的一套非常完整的信息，这些信息来自 Fred Espenak（NASA 的 GSFC）和 Jean Meeus 对日食预测的研究。