精彩日全食背后的科學(xué)

2024.4.8 北美日全食期間的日面與日珥 (Credit: Sumeet Kulkarni/Nature)

2024年4月8日（北京時間4月9日凌晨），“天狗食日”的天文奇觀在全球上演！美國、墨西哥和加拿大等北美國家的多個城市都能陸續(xù)觀測到日全食。今年的日全食僅此一次，其震撼人心的景觀無疑為我們帶來了一場宇宙級的視覺盛宴！

2024年4月8日拍攝到的日全食照片（圖片源自NASA）

1、什么是日食？

“天狗食日”的說法源于中國的古老傳說，它描述了天空中出現(xiàn)的一種奇異現(xiàn)象——日全食。在古代，當(dāng)日全食發(fā)生時，太陽逐漸被遮擋，天空逐漸暗淡，最終陷入一片黑暗。《尚書·夏書·胤征篇》中便有這樣的記載：“乃季秋月朔，辰弗集于房，瞽奏鼓，嗇夫馳，庶人走?！边@段文字生動地描繪了當(dāng)時人們面對日食的恐慌場景：樂官擊鼓試圖嚇走傳說中的天狗，百姓們慌亂地四處奔散。

隨著自然科學(xué)的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識到，日食其實是一種正常的天文現(xiàn)象。當(dāng)月球運動到太陽和地球中間時，月球擋住了太陽射向地球的光。從地球上望去，太陽會顯得不完整，甚至完全被遮擋，天空就因此變得昏暗，但這個過程一般只會持續(xù)幾分鐘。

2024年4月8日日全食過程合成圖片（圖片源自NASA）

2、日食的成因及分類

根據(jù)幾何光學(xué)的相關(guān)性質(zhì)，光線在均勻介質(zhì)中沿直線傳播。結(jié)合生活常識，如果有一個物體擋住了由光源發(fā)出的光線，而光線只能直線傳播無法繞開物體，物體背面那側(cè)就會形成陰影，也就是我們常說的影子。從陰影中朝著光源方向看去，就會發(fā)現(xiàn)光源被物體遮擋。同理，當(dāng)月球運動到太陽和地球中間，在地球上位于月球影子中的人們無法看到完整的太陽，這就是所謂的日食現(xiàn)象。

眾所周知，地球繞著太陽轉(zhuǎn)，月球繞著地球轉(zhuǎn)。地球的公轉(zhuǎn)周期為一年，月球的公轉(zhuǎn)周期約為一個月。月球的每一次公轉(zhuǎn)都應(yīng)該會運動到太陽和地球之間，那為什么不是每個月都會發(fā)生日食呢？從圖3示意圖中我們可以看到，地球公轉(zhuǎn)所在的平面（即黃道面）與月球公轉(zhuǎn)的平面（即白道面）并不是重合的，而是存在約為5°的夾角。這個夾角的存在使得日食的出現(xiàn)更加苛刻，只有當(dāng)月球運動到其軌道與黃道面的交點，且這個交點要恰好在日地連線上時才會出現(xiàn)日食。

圖3 黃道面和白道面示意圖（圖片源自網(wǎng)絡(luò)）

日食根據(jù)其形態(tài)可以分為日偏食、日環(huán)食和日全食。要想解釋為什么有這些不同的形態(tài)，我們需要從日食的原理出發(fā)。

太陽是一個巨大的發(fā)光球體，因此我們不能把太陽簡單地看成一個點光源，但我們可以把它看成無數(shù)個點光源的集合。如圖4中所示，可以先選取太陽最上方的一個點光源，再做該點光源與月球的兩條切線。這個點光源朝著月球方向發(fā)出的所有光線都在這兩條切線之間。而在這片區(qū)域中介于地球和月球之間的那部分，會因為月球?qū)饩€的阻擋而變成陰影。如果觀察者位于地球上的這個陰影區(qū)域內(nèi)，就將無法看到這個點光源，轉(zhuǎn)而看到的是太陽上的一個小黑點。

圖4 日食原理示意圖（圖片源自網(wǎng)絡(luò)）

顯然，在太陽的最上方到最下方無數(shù)個點光源中，隨著點光源位置的變化，各個點光源在地球上對應(yīng)的陰影范圍也會變化。這些陰影中，存在一個特殊的交匯區(qū)域，即所有點光源陰影的重疊部分，那也就意味著在這個區(qū)域內(nèi)是無法看到任何點光源的，我們稱之為“本影”。地球上處于本影區(qū)域內(nèi)的人們將無法看到太陽的任何部分，他們看到的就是日全食。

而對某些區(qū)域來說，可能會出現(xiàn)另一種情況，它位于太陽上方點光源的陰影之內(nèi)，但它同時又在下方點光源的陰影之外，這也就意味著在這些區(qū)域之內(nèi)看不到太陽的上半部分，但是能看到太陽的下半部分。對于這些只能看到部分太陽的區(qū)域，我們稱之為半影，半影內(nèi)看到的就是日偏食。

圖5 2024年4月8日拍攝于美國印第安納州的日偏食（階段）照片（圖片源自NASA）

日環(huán)食則是一種更為特殊的日食，它與日全食相比還需要額外的條件。月球與太陽的直徑比約為1:400，地月距離與日地距離的比值恰好也接近這個值。這也就意味著從地球上看，太陽和月球的視覺大小是相當(dāng)?shù)?。而根?jù)開普勒第一定律，天體的公轉(zhuǎn)軌道其實是一個橢圓。也就是說，月球與地球的距離會時遠時近。當(dāng)月球離地球較遠時，根據(jù)近大遠小的原理，我們看到的月球就會變小。將上述情況應(yīng)用到日食，如果“變小”的月球不足以遮擋住整個太陽，太陽的邊緣就會像一個金色的光環(huán)一樣顯露出來，也就形成了我們所說的日環(huán)食。

2010.1.15 在山東大學(xué)威海天文臺拍攝的日環(huán)食“金環(huán)日落”

3、日食現(xiàn)象的科學(xué)價值

日食不僅是一種難得一見的天文景觀，給人們帶來視覺上的震撼與享受，還蘊藏著豐富的科學(xué)價值。

早在1919年，英國科學(xué)家亞瑟·愛丁頓領(lǐng)導(dǎo)了一次日全食的觀測，并通過這次日全食的觀測成功證實了愛因斯坦廣義相對論的正確性。

除了證實科學(xué)理論，日食還為太陽大氣的觀測提供了絕佳的機會。太陽大氣由內(nèi)而外分別是光球?qū)?、色球?qū)雍腿彰?。光球?qū)泳褪峭ǔＫf的太陽表面，明亮且活躍。日冕是太陽大氣的最外層，亮度約為光球亮度的百萬分之一，所以在平常的觀測中無法我們直接觀測到日冕。而當(dāng)日全食發(fā)生時，月球完全遮住了光球?qū)?，使得我們有機會觀測到平常難以窺見的太陽結(jié)構(gòu)，例如日珥、日冕等。同時我們也能借此機會研究太陽活動的磁場、能量釋放和物質(zhì)的運動等，進一步了解太陽的結(jié)構(gòu)和運行機制。圖6展示了專業(yè)望遠鏡在日全食期間拍攝到的太陽大氣圖像，圖中可以清晰地看到冕流和日珥等結(jié)構(gòu)。

圖6 2016年3月9日拍攝于印度尼西亞的日全食照片（圖片來源Miloslav Druckmu ?ller, http://www.zam.fme.vutbr.cz/~druck/eclipse/Index.htm）

日食現(xiàn)象還啟發(fā)了一項重要的科學(xué)發(fā)明——日冕儀。日冕儀是一種專門用于觀測太陽日冕的天文儀器。在20世紀(jì)30年代，法國天文學(xué)家伯納德·萊奧特深受日食現(xiàn)象的啟發(fā)，他模仿日食期間月球遮擋光球的原理，設(shè)計出了能夠遮擋太陽光球的觀測儀器。這一創(chuàng)新使得科學(xué)家們能夠在非日食時段也能夠觀測到日冕，極大地拓寬了太陽觀測研究的時間和空間范圍。

日冕儀的發(fā)明極大地促進了太陽物理學(xué)的發(fā)展。這種精密的儀器使我們能夠深入觀測低日冕，為解開日冕加熱和太陽風(fēng)起源等核心科學(xué)問題提供了寶貴的線索。低日冕不僅是日冕物質(zhì)拋射的發(fā)生和加速區(qū)域，更是空間天氣學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域關(guān)注的焦點。通過對其開展持續(xù)、精準(zhǔn)的監(jiān)測，我們能夠為空間天氣預(yù)測和防范提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，保障衛(wèi)星運行安全，減少太空探索的風(fēng)險。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷突破，日冕儀也在不斷創(chuàng)新完善。

令人振奮的是，2023年山東大學(xué)空間科學(xué)研究院太陽大氣物理與探測課題組成功牽頭研制和建設(shè)了我國首臺自研光譜成像日冕儀。這臺儀器的建成標(biāo)志著我國在日冕觀測領(lǐng)域邁出了堅實的一步。經(jīng)過嚴(yán)格的工藝測試，它成功獲得了首批日冕觀測圖像，數(shù)據(jù)質(zhì)量達到了國際一流水平。這一成就不僅彰顯了我國科研實力的提升，更為我們深入探索太陽奧秘、推動太陽物理學(xué)和空間天氣學(xué)的發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。

圖7 光譜成像日冕儀的觀測圖像（山東大學(xué)空間科學(xué)研究院）

結(jié)語

通過前面的分析我們了解到，日食的出現(xiàn)需要同時滿足許多條件，而且只有在某些特定的區(qū)域才能觀測到日食。遺憾的是，本次日食在我國境內(nèi)沒有可觀測區(qū)域。但好在現(xiàn)代擁有發(fā)達的網(wǎng)絡(luò)社交媒體，我們?nèi)钥梢酝ㄟ^網(wǎng)絡(luò)媒體一睹日食風(fēng)采！

此外，也讓我們共同追逐將于2026年（西班牙）、2027年（埃及）及2028年（澳洲）暑期發(fā)生，并翹首期待將在2034年與2035年出現(xiàn)在我國的多場精彩日全食奇觀吧！

未來幾年的暑期日全食及觀測地情況圖（圖及數(shù)據(jù)源自timeanddate，逺才老師編輯制作）

• 作者：黎俊，山東大學(xué)空間科學(xué)與物理學(xué)院、2023級地球物理專業(yè)碩士研究生
• 科普輪值主編：鄭瑞生（山東大學(xué)空間科學(xué)研究院教授，山東天文學(xué)會太空科學(xué)與探測專業(yè)委員會委員）
• 編輯：山東大學(xué)空間科學(xué)研究院科普團組