科學家：我有特殊的「看」日食技巧

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作者：李會超

中國科學院國家空間科學中心 空間天氣學國家重點實驗室

日全食（圖片來自網路）

日全食，也許是最為大眾熟知的天文現象。當月球處於地球和太陽之間時，在地球上的一部分區域中，太陽耀眼的光芒會被暫時遮擋，白天和黑夜將在幾分鐘的時間裡交替出現。

美國當地時間8月21日，一場日全食光顧美國。從美國西海岸的俄勒岡州到東海岸的南卡羅萊納州，日全食沿著一條寬度約為110公里的日食帶，橫跨美國的14個州。

在不清楚日食成因的年代，「天狗吃太陽」的傳說會讓人們在日全食出現時驚慌失措。而今，日全食已經變成了一場全民天文盛宴。

美國人民早早地就採購裝備、計劃旅行，希望能夠親眼目睹這一世紀奇觀。美國交通部甚至要提前謀劃日食期間的交通疏導措施，避免扎堆觀看日食的車輛造成全國範圍的大堵車。

圖：日食帶過境美國的示意圖，紅線之內的區域都能一睹日全食的奇觀

日冕——太陽風暴的「策源地」

我們平常在天空中看到的太陽耀眼的光芒，大部分都來自於太陽的光球層。這裡也是我們定義的太陽表面。在光球層之上，還存在著一個名叫「日冕」的區域。這裡，是太陽風暴的「策源地」。

當太陽風暴爆發時，大量的磁場能量像核彈爆炸一樣，在短時間內集中釋放，轉化成太陽風暴向太空中奔襲的動能。美麗絢爛的極光，就是太陽風暴吹襲地球時帶來的「禮物」。

但與此同時，太陽風暴更會對與人類生活息息相關的領域產生嚴重的影響。

例如，太陽風暴中的高能粒子可以讓衛星上的計算機死機甚至徹底癱瘓。

太陽風暴（圖片來自網路）

太陽風暴引起的地球高層大氣加熱會加劇天宮二號、天舟一號等近地飛行器軌道上的大氣阻力，飛行器將不得不耗費更多燃料維持軌道。

太陽風暴引起的地球磁場變化，會在地面上的高壓電網中產生強大的異常電流，造成大面積停電。

太陽風暴引起的電離層擾動將會對我們導航定位的GPS信號產生干擾，也會讓船舶、飛機依賴的長距離無線電通信受到影響。

圖：夏威夷大學的研究者於2015年在北極拍攝的日食的圖片，向四周延伸的結構即為日冕，日冕底部還能看到由於月球地形而形成的貝利珠

從日食中開始的日冕研究

要想弄清楚太陽的「脾氣」，預知太陽風暴的爆發，減輕太陽風暴對我們的影響，就要對日冕進行細緻的觀察和研究。然而，平日里，日冕被太陽光球耀眼的光芒所遮擋，難以進行有效的觀測。

日全食發生時，由於月球對光球的遮擋，平日里暗淡的日冕便會出現在太陽周圍，使人們能夠一睹它的真容。

在日冕儀出現之前，日全食是科學家們進行日冕研究觀測的主要時機。

1860年，天文學家坦普爾來到西班牙觀測一次日全食。

與其他日全食期間的觀測記錄相比，坦普爾的記錄顯得十分特別，因為日冕附近出現了一個少見的圓環狀結構。

當今天研究者們對太陽風暴爆發時的形態有了深入的認識後，坦普爾的這次觀測被普遍認為是，人類歷史上首次親眼捕捉到了太陽風暴的蹤跡。

圖：2003年SOHO飛船上的日冕儀拍攝到的日冕物質拋射圖像

圖：1860年的日食觀測，右下角的環狀結構被認為是最早的日冕物質拋射觀測

而在1879年的一次日食觀測中，美國天文學家查爾斯·楊懷著卻被太陽坑了一把。

他在日冕中找到了一種「新」的元素，其光譜發射線是之前從未見到過的。這種元素被命名為「coronium」，即日冕的英文單詞「corona」和表示金屬元素的詞根「ium」的組合。

在之後60年的時間裡，不少科學家對「coronium」的性質做了研究和推測，但最終憂傷地發現，這是太陽跟人類開的一個玩笑。

其實，它並非一種真實存在的元素，那種從未見過的光譜發射線，實際上是高度電離的13價鐵離子發出的。

在地球上，我們常見的鐵離子一般為2價或3價，即鐵原子失去了2-3個電子。而日冕上的鐵離子竟然被生吞活剝地弄走了13個電子！這意味著那裡的溫度高達數百萬度。

這是一個與我們的常識相悖的發現。

如果你在野外撐起烤箱，準備進行一次開心的燒烤時，你肯定會把要燒烤的食材儘可能得靠近烤箱上的木炭，因為距離熱源越近溫度越高，食物就能獲得更好的加熱效果。

太陽最靠里的區域中，核聚變反應像烤箱里燒紅的木炭一樣，產出了太陽發射的幾乎全部能量，溫度高達數千萬度。從那裡到太陽表面的光球，溫度逐漸降低到數千度。

然而在光球以上，奇怪的事情發生了：

隨著距離的增加，溫度非但沒有降低，反而從光球的幾千度急劇的增高到了日冕的數百萬度。

圖：日冕加熱（圖片來自網路）

這種現象不會平白無故的發生，日冕一定是從什麼地方獲取了溫度增加的能量。

空間物理學界提出了「波動理論」和「磁重聯理論」來解釋日冕加熱的過程。然而，這兩種理論都不完備，都只能解釋一部分觀測現象。

不可替代的觀測良機

現在，我們已經可以通過日冕儀來製造人工日食，進行常規性的日冕觀測，而不用苦苦等待下一次日全食的到來。在我們監測太陽的SOHO飛船、STEREO飛船上，都裝備了這種儀器。

圖：SOHO飛船發布在網站上的實時日冕觀測

但日冕儀有著固有的缺陷：

為了不至於讓太陽的強光燒毀敏感的探測器，日冕儀的遮擋的範圍要比太陽光球大一些。

圖：SOHO飛船使用的LASCO日冕儀

如果我們將太陽中心到光球表面的距離定義為1個太陽半徑的話，SOHO飛船最低能夠觀測到1.1個太陽半徑，STEREO飛船最低能夠觀測到1.3個太陽半徑。

這讓從太陽表面到1.1個太陽半徑的區域成為了「日冕儀盲區」。

而這個盲區，恰好又是日冕加熱過程發生的關鍵區域。只有獲得了關於這個區域的觀測數據，才有希望解開日冕加熱機制的謎團。

圖：SOHO飛船拍攝的日冕圖像，圖中有一片純藍色的區域，就是沒有數據的日冕儀觀測盲區

日全食發生時，存在一個有趣的巧合：

太陽的半徑大約是月球的400倍，而太陽到月球的距離也恰好約是月球到地球距離的400倍。因此，月球遮擋的範圍幾乎精確的等於1個太陽半徑，而沒有往外擴展。

這使得科學家們獲得了「日冕儀盲區」難得的觀測機會。

相比於衛星觀測，日食期間的地面觀測還具有觀測解析度更高的優勢，將會對我們建立更精確的日冕大氣模型提供依據，從而能更好的預測太陽風暴的產生。

超級日全食——全民參與，科學相伴

早在此次美國的日食到來之前，美國的研究者們就已經做好了充足的準備。除了常規性的地面觀測外，他們還動用了一架灣流V型噴氣式飛機，飛到萬米高空，來觀測到被大氣層阻隔的紅外信號。

科學家們還動員遍布全美的業餘天文愛好者，通過「美洲大陸公民望遠鏡日食」（CATE）項目提交它們拍攝到的日食照片，讓科學家們能夠綜合掌握日冕在日食隨時間變化的情況。

用來觀測日是的灣流V型噴氣式飛機，也許是最酷的觀測平台了！

既有全民參與的熱情，又有前沿科學的產出，日全食觀測也許是完美的科學研究活動形態的一個範本。

作者：李會超中國科學院國家空間科學中心空間天氣學國家重點實驗室

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