Giải thích hiện tượng Nhật thực theo dạng hình học

Nhật thực

Mặt trăng có quỹ đạo elip, do vậy khoảng cách của nó đến Trái Đất biến thiên khoảng 6% so với giá trị trung bình. Vì thế mà kích thước biểu kiến của nó cũng thay đổi theo khoảng cách (biến đổi khoảng 13%) khi nhìn từ Trái Đất, và điều này ảnh hưởng đến hiện tượng Nhật thực toàn phần hay hình khuyên. Khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời cũng thay đổi trong năm nhưng tỉ số tương đối là nhỏ, vì vậy kích thước biểu kiến của Mặt Trời không thay đổi nhiều.

Trung bình, khi nhìn từ Trái Đất, Mặt Trăng hiện lên nhỏ hơn Mặt Trời, do đó phần lớn Nhật thực trung tâm là Nhật thực hình khuyên. Chỉ khi Mặt Trăng đủ gần Trái Đất hơn so với trung bình (gần điểm cận địa) thì Nhật thực toàn phần xảy ra. Chẳng hạn, trong giai đoạn 1900 đến 1999, có tất cả 239 lần Nhật thực, gồm 84 lần Nhật thực một phần, 71 lần Nhật thực hình khuyên, 62 lần Nhật thực toàn phần, và 22 lần Nhật thực lai.

Chu kỳ quỹ đạo của Mặt Trăng xấp xỉ 27,3 ngày, tính theo những ngôi sao cố định ở xa. Thời gian này tương ứng với tháng thiên văn. Tuy nhiên, trong thời gian một tháng thiên văn, Trái Đất cũng đã di chuyển được một quãng đường trên quỹ đạo quanh Mặt Trời, khiến thời gian trung bình giữa hai lần trăng mới kéo dài hơn tháng thiên văn, xấp xỉ 29,5 ngày, hay chính là chu kỳ giao hội của Mặt Trăng. Các nhà thiên văn học gọi đây là tháng giao hội, và dựa trên đó phân ra dương lịch hay âm lịch.

Mặt Trăng đi từ phía nam lên phía bắc của mặt phẳng hoàng đạo tại điểm nút lên, và ngược lại tại điểm nút xuống. Tuy nhiên, các điểm nút của quỹ đạo Mặt trăng dần dần di chuyển thay đổi theo thời gian do ảnh hưởng hấp dẫn của Mặt Trời lên chuyển động quỹ đạo của Mặt Trăng, và các điểm nút quỹ đạo có chu kỳ gần 18,6 năm Trái Đất. Sự tiến dịch này làm cho khoảng thời gian giữa mỗi lần Mặt Trăng đi qua điểm nút lên ngắn hơn tháng giao hội. Khoảng thời gian này được các nhà thiên văn gọi là tháng giao điểm thăng.

Mặt khác do ảnh hưởng của nhiễu loạn hấp dẫn mà điểm cận địa của Mặt Trăng cũng tiến động theo thời gian trên quỹ đạo, và điểm cận địa có chu kỳ khoảng 8,85 năm. Khoảng thời gian Mặt Trăng hoàn thành giữa hai lần đi qua điểm cận địa hơi dài hơn tháng giao điểm thăng và người ta gọi đó là tháng điểm cận địa.

Quỹ đạo Mặt Trăng cắt mặt phẳng hoàng đạo tại hai điểm nút cách nhau 180°. Do vậy, khi những lần trăng mới xuất hiện gần các điểm nút theo chu kỳ trong một năm cách nhau xấp xỉ sáu tháng (173,3 ngày), lúc đó có ít nhất một lần Nhật thực xảy ra trong những thời điểm này. Thỉnh thoảng khi lần trăng mới xuất hiện đủ gần một điểm nút dẫn đến trong hai tháng liên tiếp xảy ra hai hiện tượng Nhật thực một phần. Có nghĩa là, trong một năm bất kỳ, sẽ có ít nhất hai lần Nhật thực và nhiều nhất là 5 lần Nhật thực xảy ra.