出品：科普中國

製作：中國科學院雲南天文台鄧林華

監製：中國科學院計算機網路信息中心

圖1：美國攝影師Ted Hesser在俄勒岡州拍攝的浪漫日全食盛景

美國時間2017年8月21日，美國大陸出現了全民望日的盛大景象，數以千萬計的美國民眾和天文學家見證了此次超級日全食事件。

這是時隔99年後日全食再次橫穿美國本土，可謂是百年難得一見的天文奇觀。日全食現象不僅讓眾多天文愛好者體驗到日全食帶來的震撼，也給科學家探索由太陽-地球-月亮組成的三星系統的奧秘提供了得天獨厚的機會。

毫不誇張地說，日全食就是天象皇冠上最璀璨的明珠，科學發展中最閃耀的奇觀！

天狗食日之盛景再現

席捲全美的日全食奇景首先出現在俄勒岡州的西海岸，然後以每小時2700公里的速度斜對角移動，最終達到南卡羅來納州的東海岸，寬度為113公里的全食帶在美國橫掃14個州！

圖2：日食與星跡的全景合成影像（Stephane Vetter拍攝於美國俄勒岡州的馬崗湖）

上圖是Stephane Vetter精心策劃、拍攝的日食與星跡的全景合成影像。底部和頂部對應北方和南方，左側和右側對應東方和西方（上南下北，左東右西），位於影像中下方的樹木是道格拉斯冷杉。整張圖像是經過數字融合的全天雙重時序合成的，記錄了白天與黑夜的天體活動現象。

拍攝從日食前一夜持續到日食結束。在日食發生前一夜的四小時內，恆星環繞北天極（影像底部）迴旋形成星跡；在日食發生期間，從日出到日落，需要每隔15分鐘就對太陽拍攝一張照片。

再將所有照片經過數字融合，疊加在日全食期間所拍攝的一張照片上，就能夠看日冕環繞在黝黑的新月周圍，而金星位於影像上方。

美國人當然不會放過這寶貴的機會，他們當天是如何觀看日全食的呢？

在華盛頓，美國總統特朗普暫時放下了政務，和家人、同事等出現在了白宮陽台上，觀看日全食。

圖3：美國總統攜家人及政要觀看日全食

不知他們在談論什麼新奇的景象，看起來似乎十分高興。

圖4：標誌著日全食正式開始的貝利珠

也許是看到了像鑽石一樣的貝利珠，這可是只可遠觀不可褻玩的珍珠啊！

在這裡，我想提醒一下特朗普總統和讀者朋友們，千萬不要用肉眼觀看日全食，一定要戴日全食眼鏡！下圖中這兩位普通民眾就做了很好的示範。

圖5：美國民眾的全民望日盛景

還有人做了特別的妝扮，比如這位「自由女神」，也在觀看日全食。

圖6：紐約時報廣場，裝扮為自由女神像的男子觀看日食

我必須說，「嘿哥們！我很喜歡這身原諒色裝扮。」

難得一見的天象，讓地面上的人們迎來了盛宴。那，如果你是一名正在國際空間站上執行任務的宇航員，還能否參與到這場狂歡呢？

很明顯，在空間站無法看到日全食的美妙景象，但是你完全不用遺憾。因為你所看到的地球絕對擁有另有一番韻味。當日全食發生時，月亮擋住太陽光，你會看到地球上出現黑色的圖案，正是日食發生的區域。

圖7：國際空間上看地球，陰影部分即為美國日食發生地區

天狗食日之戰前籌謀

此次超級日食現象被美國科學界視為極佳的天文科普教育機會。

以一些機構/部門為例：

美國國家航空航天局：推出主題網站，並對日食事件進行全面科普引導。

公共圖書館：全美各地近5000家公共圖書館免費發放了200多萬副觀看日食的眼鏡（俄勒岡州達拉斯市公共圖書館館長還邀請了雲南天文台屈中權研究員為美國民眾做《太陽活動與人類生活》的英文科普報告）。

氣象部門：發布當天的最佳觀測地點和實時天氣預報，並標識出了天氣情況良好和有烏雲或下雨情況的地段。顯而易見，越靠西邊的觀測地點，觀看效果越好，看到日食的概率更高。

交通部門：發布了從不同地區到最近的日全食帶的駕車時間。

不得不說，這些有關部門真是下足了功夫，為他們點32個贊！

圖8：美國超級日全食的環食和全食帶地圖

圖9：不同地區在8月21日的天氣情況

圖10：從不同地區到全食帶觀測地點的駕車時間

天狗食日之形成原理

中國史書上稱「日有食之，不盡如鉤」，日食的本意就是太陽被吃掉了，所以民間才將其稱之為天狗食日。

從科學的角度來講，日食是地球、月亮和太陽之間處於特殊位置關係時，形成的奇妙自然現象。

當月亮運行到地球與太陽中間時，如果三者正好或接近一條直線，光線在月球背後形成的影子將落到地球上，就產生了日食。

月球的影子有本影、半影和偽本影三種，觀測者處於本影範圍內可看到日全食，在半影範圍內只能看到日偏食，而當月球距地球較遠、形成偽本影時，影區範圍內僅可看到日環食。

圖11：日食（日全食、日環食和日偏食）形成的原理

產生日食現象與天體運動的神秘巧合有關，太陽的直徑約為月亮的400倍，而日地距離約為地月距離的400倍，這就意味著，三者在一條直線上且月亮處於中間的時候，月亮的視直徑與太陽的視直徑剛好相等。

除此之外，發生日食還需滿足兩個條件：

（1）日食一定發生在朔日（農曆初一），但不是所有朔日必定發生日食；

（2）太陽和月亮都移動到白道（月亮運行的軌道）和黃道（太陽運行的軌道）的交點附近。

平均來講，日全食大約1.5年就會發生一次，但能被人親眼觀測到的日全食是極為罕見的。

據科學家的計算，如果一個人在地球表面上某個位置上固定不動，平均需要400多年才能看到一次日全食。

一次完整的日食過程一般包括5個階段：初虧、食既、食甚、生光和復圓。

初虧是指，月亮圓面剛剛接觸到太陽圓面的瞬間（即兩者在視覺上第一次相切），這是日食開始的時刻。

由於月亮表面有許多嶇崎不平的山峰，當日面的最後一絲光芒消失之時，月亮圓面與太陽圓面第二次相切，這些山峰就會表現為著名的貝利珠現象，這是日全食開始的時刻。

當月亮圓面繼續移動，且月亮中心與太陽中心距離最近之時，此時為日食階段的中心階段（表現為天空最暗），這就是食甚。

月亮圓面繼續移動，當兩者出現第三次相切的時候，即為生光階段，這將標誌著日全食階段結束，再次出現偏食。

隨著月亮圓面的移動，當月亮與太陽第四次相切的時候，整個日食過程結束，這一瞬間稱之為復圓。

圖12： 一次完整的日食演化過程

根據太陽、月亮和地球的運行軌跡，科學家繪製了2001年至2025年間的日全食和日偏食在全球的發生地點。

圖13：2001-2025年間的日全食和日偏食在全球的分布情況

（黃色：日全食；橘色：日偏食）

這次美國日全食發生後，很多人關心，下一次日全食什麼時候發生，中國什麼時候能觀測到日全食。

早在古巴比倫時期，人們就注意到每一次日全食經過18年11天之後就會再次出現，這個周期稱之為沙羅周期，而每一個沙羅食周看上去都與上一次的日全食現象極為類似。

不過，由於地球在兩個周期之間多轉了1/3圈，導致日全食發生的地點總是比上一次向西轉動了1/3個地球。

根據上圖和我們所獲得的信息，可以得出：

離現在最近的一次日全食，將發生在2019年7月2日的智利和阿根廷；

2020年夏至日，在我國境內將會發生日環食現象（遮擋率高達94%）；

2034年，在我國境內將會發生日全食現象，不過全食帶只穿過西藏西北部的無人區；

2035年，此次北美日全食的輪迴將發生在包括北京在內的我國眾多地方。

天狗食日之科學價值

日全食現象除了對感官的震撼是無與倫比的，對物理學的發展也是極具科學價值的。

在日全食期間，全食帶內的空間環境都會發生變化，熱輻射和電磁輻射在不同大氣高度上出現不同程度的波動，科學家們可以通過日食來研究不同的天文和空間現象，例如可以用來研究日冕現象和地球電離層。

事實上，太陽物理髮展史上許多關鍵的發現與日全食過程中的成像成譜觀測密不可分。

在1868年的印度日全食觀測（長達6分鐘）中，法國天文學家讓桑在日珥光譜中發現了氦元素（其發射線為橙黃色）。

與此同時，讓桑和洛克耶產生了一個極具創意的想法：使用一個具有高分散力的分光鏡——能夠發散光球的連續光譜但不發散單色的兩線，這樣便可在沒有日食的時候依然能夠看到日珥光譜中的亮線，這一想法推進了太陽天文台的誕生。

利用1869年北美大陸的日全食觀測資料，美國天文學家哈克內斯在太陽日冕的光譜中發現了一條綠色譜線；緊隨其後，美國天文學家楊在1870年的日全食觀測中測定了該譜線的位置。

直到72年後的1941年，瑞典分光學家埃德倫藉助恆星大氣理論和量子力學的發展才給出了形成該譜線的標準答案：這條譜線並非日冕特有元素的產物，而是鐵、鎳、鈣等元素的電離離子產生的禁線，這條譜線的存在揭示了日冕中具有高達百萬度量級的電子溫度。

科學的神奇之處在於，一個難題的解決意味著一個更大的難題到來，那就是什麼樣的加熱機制導致日冕具有如此百萬度的高溫？

在此後的一個多世紀里，太陽物理學家通過地空觀測和數值模擬不斷推進日冕加熱機制的發展，並形成了波動加熱與重聯加熱兩種機制並駕齊驅的研究現狀。

需要指出的是，楊利用1870年的日全食得到另外一個重要發現：在食既到生光的一瞬間（通常只延續1到2秒鐘），觀測到色球層的發射線光譜（一般稱之為閃耀光譜），隨後被通常的夫琅和費光譜所代替。

這一觀測直接印證了光譜學上的基爾霍夫定律，同時證實了厚度為2000-3000公里的色球層是真實存在的。

另一次永垂科學史的日全食現象則宣告了物理學時代的更替，即愛因斯坦的廣義相對論與牛頓的引力理論之間的巔峰對決！

當愛因斯坦在1915年提出廣義相對論時，就對艾薩克·牛頓的引力理論提出了直接挑戰。牛頓的引力理論認為，空間只是一個固定的背景，物體的重力推動並以可預測的方式吸引其它物體。但愛因斯坦卻認為，空間和時間具有時空關聯，物體的引力實際上扭曲了時空本身。

到底誰的理論是正確的呢？

圖14：時空的扭曲是物體的路徑在引力作用下產生彎曲

雖然牛頓和愛因斯坦的理論都預言光線會在引力場附近彎曲，但是牛頓所要求的彎曲程度是愛因斯坦的一半，而且所涉及的角度非常小，所以在地球上的差異十分微妙。沒有一個可靠的實驗來確定誰是正確的重力，當時大多數科學家繼續相信牛頓並否定了愛因斯坦。

時間到了1917年，兩位英國科學家亞瑟·愛丁頓和弗蘭克·沃森·戴森發明了一種解決爭論的方法：在1919年5月29日的日全食期間，太陽將從明亮的海茲星星系團之間經過，該球形星團距離金牛座大約153光年。

正常情況下，這些恆星在白天是無法觀測到的，但是日全食的黑暗將使科學家能夠觀測到，而且持續時間大約為6分鐘。

如果能夠到達地球上的觀測者，發出的光線將不得不穿過太陽的重力場。

這是一個絕佳的證明愛因斯坦的廣義相對論的機會，結果到底如何呢？

1919年，愛丁頓率領觀測隊遠赴非洲西海岸的普林西比島和巴西東北部海岸附近的索布拉爾市，兩個團隊通過在日全食期間拍攝太陽附近的恆星影像，驗證了廣義相對論中光線的引力偏折效應，從而以確鑿無疑的證據將愛因斯坦及相對論推上了物理學的巔峰，也成就了日全食在人類科學史上最完美的演出。

不過，在檢驗光線彎曲這個複雜的觀測過程中，存在很多產生誤差的潛在因素，例如晝夜溫差導致的底片熱脹冷縮、大氣擾動的模型變化、底片的成像質量等系統因素。

後來，1922年9月21日、1929年5月9日、1936年6月19日、1947年5月20日和1952年2月25日發生日全食時，各國天文學家都組織了檢驗光線彎曲的觀測，公布的結果與廣義相對論的預言有的符合較好，有的則不符合。

總的來說，愛因斯坦的廣義相對論已經獲得了科學家的驗證，而且其預言的引力波也在2016年被成功探測到。

圖15：日全食期間光線的引力偏折現象

雲南天文台的日全食之旅

太陽日冕是耀斑爆發和日冕物質拋射等劇烈活動現象的發源地，在此集聚的磁場能量可以通過磁重聯的方式釋放。

雖然太陽日冕的觀測設備有多種類型（例如可見光及紅外波段的日冕儀、紫外波段的空間望遠鏡和太陽射電望遠鏡），但是日全食為科學家觀測日冕提供了得天獨厚的機會，因為來自於光球層的輻射在此期間幾乎被月面完全遮擋，這就使得能夠直接觀測到太陽中高層大氣里相對較弱的輻射。

科學研究表明，來自於色球層和日冕層的輻射光譜是解決太陽物理前沿熱點問題的重要途徑之一。

雲南天文台的12名科研人員在國際天文聯合會日食委員會核心成員屈中權研究員（雲南天文台光纖陣列太陽光學望遠鏡研究組首席科學家）的帶領下，在美國俄勒岡州達拉斯市成功取得美國超級日全食的科學數據，這對於理解太陽日冕百萬度高溫的形成機理具有極其重要的科學價值。

此外，由屈中權研究員領導的觀測團隊還包括北京大學和四川理工學院的同事，北京大學觀測團隊（田暉研究員負責，陳亞傑和張婧雯實施）首次對太陽開展科學觀測並獲得了100多幅高質量的日冕紅線圖像，四川理工學院觀測團隊通過貝利珠出現的精確時間計量來推算太陽半徑，取得了真實可靠的科學資料。

由屈中權、鍾悅、辛玉新和宋智明組成的第一觀測小組通過第一代光纖陣列太陽光學望遠鏡（獲得國家自然科學基金委的國家重大儀器研製專項的經費資助）觀測獲得日冕綠線輻射強度和兩個線偏振分量強度成譜成像科學資料。

相比2013年的加彭日全食觀測，此次觀測中的積分視場單元的每一個陣列大小經過顯著擴展，使得空間採樣點大幅提高，積分視場和空間解析度增加；線偏振測量由原來單一的斯托克斯Q增加到全部兩個線偏振參量Q和U，由此帶來的科學價值將大幅度地提高。

圖16：由第一代光纖陣列太陽光學望遠鏡採集到的兩次不同調製強度的日冕綠線偏振光譜和平場資料

雲南天文台（鄧林華、倫寶利和張益恭）和北京大學（田暉、陳亞傑和張婧雯）分別對日冕綠線和紅線進行了大視場的成像觀測。

日冕綠線（5303埃，形成溫度約200萬度，可觀測到離日面邊緣較遠處的日冕輻射）和紅線（6374埃，形成溫度約100萬度，可以觀測到活動區的日冕結構，同時適合觀測冕洞等低溫區域）是可見光波段的兩條比較強的發射線。

雲南天文台的日冕綠線中等帶寬濾光成像望遠鏡，主要科學目標是太陽大氣磁場結構的起偏源區、偏振度隨高度的變化規律以及與日冕物理模型的對比。

該望遠鏡得到四組完整的線偏振觀測數據並成功獲得斯托克斯分量I、Q和U的調製圖像，相比2012年澳大利亞日全食觀測，此次觀測的科學價值有了顯著的提高。

北京大學的折射式大視場太陽成像望遠鏡，主要科學目標是研究日冕尤其是冕洞中的高頻波動現象，以幫助我們理解日冕百萬度高溫形成的原因。

在不足兩分鐘的日全食期間內，進行了線偏振觀測並獲得斯托克斯線偏振參量Q和U；此外，還進行了半分鐘普通成像觀測，獲得了時間解析度約為0.5秒的日冕紅線圖像，如此高的時間解析度是目前常規的地基和空基日冕儀無法企及的。

雲南天文台的科研隊伍還將繼續追蹤日食，對2019年發生在智利和阿根廷境內的日全食、2020年發生在我國境內的日環食事件開展科學觀測。

需要指出的是，屈中權領導的日食觀測團隊已在2008、2009、2010、2012、2013和2017年全球境內發生的多次日全食和日偏食觀測中取得了寶貴的科學資料，並且在國際著名天文學核心期刊上發表了多篇學術論文。

「我要從南追到北，還要從白追到黑」。看，追起日食來，我們科學家的熱情和毅力，確實名不虛傳吧！

圖17：北京大學折射式大視場太陽成像望遠鏡獲取的日冕紅線圖像

圖18：雲南天文台日冕綠線中等帶寬濾光成像望遠鏡獲取的偏振調製圖像

圖19：雲南天文台組織的美國日全食觀測團隊在觀測成功後的合影

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本文由科普中國融合創作出品，轉載請註明出處。

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