精彩日全食背后的科学

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    2024年4月8日（北京时间4月9日凌晨），“天狗食日”的天文奇观在全球上演！美国、墨西哥和加拿大等北美国家的多个城市都能陆续观测到日全食。今年的日全食仅此一次，其震撼人心的景观无疑为我们带来了一场宇宙级的视觉盛宴！

2024年4月8日拍摄到的日全食照片（图片源自NASA）

什么是日食？

    “天狗食日”的说法源于中国的古老传说，它描述了天空中出现的一种奇异现象——日全食。在古代，当日全食发生时，太阳逐渐被遮挡，天空逐渐暗淡，最终陷入一片黑暗。《尚书·夏书·胤征篇》中便有这样的记载：“乃季秋月朔，辰弗集于房，瞽奏鼓，啬夫驰，庶人走。”这段文字生动地描绘了当时人们面对日食的恐慌场景：乐官击鼓试图吓走传说中的天狗，百姓们慌乱地四处奔散。

    随着自然科学的发展，人们逐渐认识到，日食其实是一种正常的天文现象。当月球运动到太阳和地球中间时，月球挡住了太阳射向地球的光。从地球上望去，太阳会显得不完整，甚至完全被遮挡，天空就因此变得昏暗，但这个过程一般只会持续几分钟。  

2024年4月8日日全食过程合成图片（图片源自NASA）

日食的成因及分类

    根据几何光学的相关性质，光线在均匀介质中沿直线传播。结合生活常识，如果有一个物体挡住了由光源发出的光线，而光线只能直线传播无法绕开物体，物体背面那侧就会形成阴影，也就是我们常说的影子。从阴影中朝着光源方向看去，就会发现光源被物体遮挡。同理，当月球运动到太阳和地球中间，在地球上位于月球影子中的人们无法看到完整的太阳，这就是所谓的日食现象。

    众所周知，地球绕着太阳转，月球绕着地球转。地球的公转周期为一年，月球的公转周期约为一个月。月球的每一次公转都应该会运动到太阳和地球之间，那为什么不是每个月都会发生日食呢？从图3示意图中我们可以看到，地球公转所在的平面（即黄道面）与月球公转的平面（即白道面）并不是重合的，而是存在约为5°的夹角。这个夹角的存在使得日食的出现更加苛刻，只有当月球运动到其轨道与黄道面的交点，且这个交点要恰好在日地连线上时才会出现日食。

图3 黄道面和白道面示意图（图片源自网络）

    日食根据其形态可以分为日偏食、日环食和日全食。要想解释为什么有这些不同的形态，我们需要从日食的原理出发。

    太阳是一个巨大的发光球体，因此我们不能把太阳简单地看成一个点光源，但我们可以把它看成无数个点光源的集合。如图4中所示，可以先选取太阳最上方的一个点光源，再做该点光源与月球的两条切线。这个点光源朝着月球方向发出的所有光线都在这两条切线之间。而在这片区域中介于地球和月球之间的那部分，会因为月球对光线的阻挡而变成阴影。如果观察者位于地球上的这个阴影区域内，就将无法看到这个点光源，转而看到的是太阳上的一个小黑点。

图4 日食原理示意图（图片源自网络）

    显然，在太阳的最上方到最下方无数个点光源中，随着点光源位置的变化，各个点光源在地球上对应的阴影范围也会变化。这些阴影中，存在一个特殊的交汇区域，即所有点光源阴影的重叠部分，那也就意味着在这个区域内是无法看到任何点光源的，我们称之为“本影”。地球上处于本影区域内的人们将无法看到太阳的任何部分，他们看到的就是日全食。

    而对某些区域来说，可能会出现另一种情况，它位于太阳上方点光源的阴影之内，但它同时又在下方点光源的阴影之外，这也就意味着在这些区域之内看不到太阳的上半部分，但是能看到太阳的下半部分。对于这些只能看到部分太阳的区域，我们称之为半影，半影内看到的就是日偏食。

图5 2024年4月8日拍摄于美国印第安纳州的日偏食（阶段）照片（图片源自NASA）

    日环食则是一种更为特殊的日食，它与日全食相比还需要额外的条件。月球与太阳的直径比约为1:400，地月距离与日地距离的比值恰好也接近这个值。这也就意味着从地球上看，太阳和月球的视觉大小是相当的。而根据开普勒第一定律，天体的公转轨道其实是一个椭圆。也就是说，月球与地球的距离会时远时近。当月球离地球较远时，根据近大远小的原理，我们看到的月球就会变小。将上述情况应用到日食，如果“变小”的月球不足以遮挡住整个太阳，太阳的边缘就会像一个金色的光环一样显露出来，也就形成了我们所说的日环食。

2010.1.15 在山东大学威海天文台拍摄的日环食“金环日落”

日食现象的科学价值

    日食不仅是一种难得一见的天文景观，给人们带来视觉上的震撼与享受，还蕴藏着丰富的科学价值。

    早在1919年，英国科学家亚瑟·爱丁顿领导了一次日全食的观测，并通过这次日全食的观测成功证实了爱因斯坦广义相对论的正确性。

    除了证实科学理论，日食还为太阳大气的观测提供了绝佳的机会。太阳大气由内而外分别是光球层、色球层和日冕。光球层就是通常所说的太阳表面，明亮且活跃。日冕是太阳大气的最外层，亮度约为光球亮度的百万分之一，所以在平常的观测中无法我们直接观测到日冕。而当日全食发生时，月球完全遮住了光球层，使得我们有机会观测到平常难以窥见的太阳结构，例如日珥、日冕等。同时我们也能借此机会研究太阳活动的磁场、能量释放和物质的运动等，进一步了解太阳的结构和运行机制。图6展示了专业望远镜在日全食期间拍摄到的太阳大气图像，图中可以清晰地看到冕流和日珥等结构。

图6 2016年3月9日拍摄于印度尼西亚的日全食照片（图片来源Miloslav Druckmu ̈ller, http://www.zam.fme.vutbr.cz/~druck/eclipse/Index.htm）

    日食现象还启发了一项重要的科学发明——日冕仪。日冕仪是一种专门用于观测太阳日冕的天文仪器。在20世纪30年代，法国天文学家伯纳德·莱奥特深受日食现象的启发，他模仿日食期间月球遮挡光球的原理，设计出了能够遮挡太阳光球的观测仪器。这一创新使得科学家们能够在非日食时段也能够观测到日冕，极大地拓宽了太阳观测研究的时间和空间范围。

    日冕仪的发明极大地促进了太阳物理学的发展。这种精密的仪器使我们能够深入观测低日冕，为解开日冕加热和太阳风起源等核心科学问题提供了宝贵的线索。低日冕不仅是日冕物质抛射的发生和加速区域，更是空间天气学应用领域关注的焦点。通过对其开展持续、精准的监测，我们能够为空间天气预测和防范提供关键数据，保障卫星运行安全，减少太空探索的风险。随着科学技术的不断突破，日冕仪也在不断创新完善。

    令人振奋的是，2023年山东大学空间科学研究院太阳大气物理与探测课题组成功牵头研制和建设了我国首台自研光谱成像日冕仪。这台仪器的建成标志着我国在日冕观测领域迈出了坚实的一步。经过严格的工艺测试，它成功获得了首批日冕观测图像，数据质量达到了国际一流水平。这一成就不仅彰显了我国科研实力的提升，更为我们深入探索太阳奥秘、推动太阳物理学和空间天气学的发展奠定了坚实基础。

图7 光谱成像日冕仪的观测图像（山东大学空间科学研究院）

结语

    通过前面的分析我们了解到，日食的出现需要同时满足许多条件，而且只有在某些特定的区域才能观测到日食。遗憾的是，本次日食在我国境内没有可观测区域。但好在现代拥有发达的网络社交媒体，我们仍可以通过网络媒体一睹日食风采！

    此外，也让我们共同追逐将于2026年（西班牙）、2027年（埃及）及2028年（澳洲）暑期发生，并翘首期待将在2034年与2035年出现在我国的多场精彩日全食奇观吧！