论看日食的热情 非科学家莫属

　　图1：美国摄影师Ted Hesser在俄勒冈州拍摄的浪漫日全食盛景 

　　美国时间2017年8月21日，美国大陆出现了全民望日的盛大景象，数以千万计的美国民众和天文学家见证了此次超级日全食事件。 

　　这是时隔99年后日全食再次横穿美国本土，可谓是百年难得一见的天文奇观。日全食现象不仅让众多天文爱好者体验到日全食带来的震撼，也给科学家探索由太阳-地球-月亮组成的三星系统的奥秘提供了得天独厚的机会。 

　　毫不夸张地说，日全食就是天象皇冠上最璀璨的明珠，科学发展中最闪耀的奇观！ 

　　天狗食日之盛景再现 

　　席卷全美的日全食奇景首先出现在俄勒冈州的西海岸，然后以每小时2700公里的速度斜对角移动，最终达到南卡罗来纳州的东海岸，宽度为113公里的全食带在美国横扫14个州！ 

　　图2：日食与星迹的全景合成影像（Stephane Vetter拍摄于美国俄勒冈州的马岗湖） 

　　上图是Stephane Vetter精心策划、拍摄的日食与星迹的全景合成影像。底部和顶部对应北方和南方，左侧和右侧对应东方和西方（上南下北，左东右西），位于影像中下方的树木是道格拉斯冷杉。整张图像是经过数字融合的全天双重时序合成的，记录了白天与黑夜的天体活动现象。 

　　拍摄从日食前一夜持续到日食结束。在日食发生前一夜的四小时内，恒星环绕北天极（影像底部）回旋形成星迹；在日食发生期间，从日出到日落，需要每隔15分钟就对太阳拍摄一张照片。 

　　再将所有照片经过数字融合，叠加在日全食期间所拍摄的一张照片上，就能够看日冕环绕在黝黑的新月周围，而金星位于影像上方。 

　　美国人当然不会放过这宝贵的机会，他们当天是如何观看日全食的呢？ 

　　在华盛顿，美国总统特朗普暂时放下了政务，和家人、同事等出现在了白宫阳台上，观看日全食。 

　　图3：美国总统携家人及政要观看日全食 

　　不知他们在谈论什么新奇的景象，看起来似乎十分高兴。 

　　图4：标志着日全食正式开始的贝利珠 

　　也许是看到了像钻石一样的贝利珠，这可是只可远观不可亵玩的珍珠啊！ 

　　在这里，我想提醒一下特朗普总统和读者朋友们，千万不要用肉眼观看日全食，一定要戴日全食眼镜！下图中这两位普通民众就做了很好的示范。 

　　图5：美国民众的全民望日盛景 

　　还有人做了特别的妆扮，比如这位“自由女神”，也在观看日全食。 

　　图6：纽约时报广场，装扮为自由女神像的男子观看日食 

　　我必须说，“嘿哥们！我很喜欢这身原谅色装扮。” 

　　难得一见的天象，让地面上的人们迎来了盛宴。那，如果你是一名正在国际空间站上执行任务的宇航员，还能否参与到这场狂欢呢？ 

　　很明显，在空间站无法看到日全食的美妙景象，但是你完全不用遗憾。因为你所看到的地球绝对拥有另有一番韵味。当日全食发生时，月亮挡住太阳光，你会看到地球上出现黑色的图案，正是日食发生的区域。 

　　图7：国际空间上看地球，阴影部分即为美国日食发生地区 

　　天狗食日之战前筹谋 

　　此次超级日食现象被美国科学界视为极佳的天文科普教育机会。 

　　以一些机构/部门为例： 

　　美国国家航空航天局：推出主题网站，并对日食事件进行全面科普引导。 

　　公共图书馆：全美各地近5000家公共图书馆免费发放了200多万副观看日食的眼镜（俄勒冈州达拉斯市公共图书馆馆长还邀请了云南天文台屈中权研究员为美国民众做《太阳活动与人类生活》的英文科普报告）。 

　　气象部门：发布当天的最佳观测地点和实时天气预报，并标识出了天气情况良好和有乌云或下雨情况的地段。显而易见，越靠西边的观测地点，观看效果越好，看到日食的概率更高。 

　　交通部门：发布了从不同地区到最近的日全食带的驾车时间。 

　　不得不说，这些有关部门真是下足了功夫，为他们点32个赞！ 

　　图8：美国超级日全食的环食和全食带地图 

　　图9：不同地区在8月21日的天气情况 

　　图10：从不同地区到全食带观测地点的驾车时间 

　　天狗食日之形成原理 

　　中国史书上称“日有食之，不尽如钩”，日食的本意就是太阳被吃掉了，所以民间才将其称之为天狗食日。 

　　从科学的角度来讲，日食是地球、月亮和太阳之间处于特殊位置关系时，形成的奇妙自然现象。 

　　当月亮运行到地球与太阳中间时，如果三者正好或接近一条直线，光线在月球背后形成的影子将落到地球上，就产生了日食。 

　　月球的影子有本影、半影和伪本影三种，观测者处于本影范围内可看到日全食，在半影范围内只能看到日偏食，而当月球距地球较远、形成伪本影时，影区范围内仅可看到日环食。 

　　图11：日食（日全食、日环食和日偏食）形成的原理 

　　产生日食现象与天体运动的神秘巧合有关，太阳的直径约为月亮的400倍，而日地距离约为地月距离的400倍，这就意味着，三者在一条直线上且月亮处于中间的时候，月亮的视直径与太阳的视直径刚好相等。 

　　除此之外，发生日食还需满足两个条件： 

　　（1）日食一定发生在朔日（农历初一），但不是所有朔日必定发生日食； 

　　（2）太阳和月亮都移动到白道（月亮运行的轨道）和黄道（太阳运行的轨道）的交点附近。 

　　平均来讲，日全食大约1.5年就会发生一次，但能被人亲眼观测到的日全食是极为罕见的。 

　　据科学家的计算，如果一个人在地球表面上某个位置上固定不动，平均需要400多年才能看到一次日全食。 

　　一次完整的日食过程一般包括5个阶段：初亏、食既、食甚、生光和复圆。 

　　初亏是指，月亮圆面刚刚接触到太阳圆面的瞬间（即两者在视觉上第一次相切），这是日食开始的时刻。 

　　由于月亮表面有许多岖崎不平的山峰，当日面的最后一丝光芒消失之时，月亮圆面与太阳圆面第二次相切，这些山峰就会表现为著名的贝利珠现象，这是日全食开始的时刻。 

　　当月亮圆面继续移动，且月亮中心与太阳中心距离最近之时，此时为日食阶段的中心阶段（表现为天空最暗），这就是食甚。 

　　月亮圆面继续移动，当两者出现第三次相切的时候，即为生光阶段，这将标志着日全食阶段结束，再次出现偏食。 

　　随着月亮圆面的移动，当月亮与太阳第四次相切的时候，整个日食过程结束，这一瞬间称之为复圆。 

　　图12： 一次完整的日食演化过程 

　　根据太阳、月亮和地球的运行轨迹，科学家绘制了2001年至2025年间的日全食和日偏食在全球的发生地点。 

　　图13：2001-2025年间的日全食和日偏食在全球的分布情况 

　　（黄色：日全食；橘色：日偏食） 

　　这次美国日全食发生后，很多人关心，下一次日全食什么时候发生，中国什么时候能观测到日全食。 

　　早在古巴比伦时期，人们就注意到每一次日全食经过18年11天之后就会再次出现，这个周期称之为沙罗周期，而每一个沙罗食周看上去都与上一次的日全食现象极为类似。 

　　不过，由于地球在两个周期之间多转了1/3圈，导致日全食发生的地点总是比上一次向西转动了1/3个地球。 

　　根据上图和我们所获得的信息，可以得出： 

　　离现在最近的一次日全食，将发生在2019年7月2日的智利和阿根廷； 

　　2020年夏至日，在我国境内将会发生日环食现象（遮挡率高达94%）； 

　　2034年，在我国境内将会发生日全食现象，不过全食带只穿过西藏西北部的无人区； 

　　2035年，此次北美日全食的轮回将发生在包括北京在内的我国众多地方。 

　　天狗食日之科学价值 

　　日全食现象除了对感官的震撼是无与伦比的，对物理学的发展也是极具科学价值的。 

　　在日全食期间，全食带内的空间环境都会发生变化，热辐射和电磁辐射在不同大气高度上出现不同程度的波动，科学家们可以通过日食来研究不同的天文和空间现象，例如可以用来研究日冕现象和地球电离层。 

　　事实上，太阳物理发展史上许多关键的发现与日全食过程中的成像成谱观测密不可分。 

　　在1868年的印度日全食观测（长达6分钟）中，法国天文学家让桑在日珥光谱中发现了氦元素（其发射线为橙黄色）。 

　　与此同时，让桑和洛克耶产生了一个极具创意的想法：使用一个具有高分散力的分光镜——能够发散光球的连续光谱但不发散单色的两线，这样便可在没有日食的时候依然能够看到日珥光谱中的亮线，这一想法推进了太阳天文台的诞生。 

　　利用1869年北美大陆的日全食观测资料，美国天文学家哈克内斯在太阳日冕的光谱中发现了一条绿色谱线；紧随其后，美国天文学家杨在1870年的日全食观测中测定了该谱线的位置。 

　　直到72年后的1941年，瑞典分光学家埃德伦借助恒星大气理论和量子力学的发展才给出了形成该谱线的标准答案：这条谱线并非日冕特有元素的产物，而是铁、镍、钙等元素的电离离子产生的禁线，这条谱线的存在揭示了日冕中具有高达百万度量级的电子温度。 

　　科学的神奇之处在于，一个难题的解决意味着一个更大的难题到来，那就是什么样的加热机制导致日冕具有如此百万度的高温？ 

　　在此后的一个多世纪里，太阳物理学家通过地空观测和数值模拟不断推进日冕加热机制的发展，并形成了波动加热与重联加热两种机制并驾齐驱的研究现状。 

　　需要指出的是，杨利用1870年的日全食得到另外一个重要发现：在食既到生光的一瞬间（通常只延续1到2秒钟），观测到色球层的发射线光谱（一般称之为闪耀光谱），随后被通常的夫琅和费光谱所代替。 

　　这一观测直接印证了光谱学上的基尔霍夫定律，同时证实了厚度为2000-3000公里的色球层是真实存在的。 

　　另一次永垂科学史的日全食现象则宣告了物理学时代的更替，即爱因斯坦的广义相对论与牛顿的引力理论之间的巅峰对决！ 

　　当爱因斯坦在1915年提出广义相对论时，就对艾萨克·牛顿的引力理论提出了直接挑战。牛顿的引力理论认为，空间只是一个固定的背景，物体的重力推动并以可预测的方式吸引其它物体。但爱因斯坦却认为，空间和时间具有时空关联，物体的引力实际上扭曲了时空本身。 

　　到底谁的理论是正确的呢？ 

　　图14：时空的扭曲是物体的路径在引力作用下产生弯曲 

　　虽然牛顿和爱因斯坦的理论都预言光线会在引力场附近弯曲，但是牛顿所要求的弯曲程度是爱因斯坦的一半，而且所涉及的角度非常小，所以在地球上的差异十分微妙。没有一个可靠的实验来确定谁是正确的重力，当时大多数科学家继续相信牛顿并否定了爱因斯坦。 

　　时间到了1917年，两位英国科学家亚瑟·爱丁顿和弗兰克·沃森·戴森发明了一种解决争论的方法：在1919年5月29日的日全食期间，太阳将从明亮的海兹星星系团之间经过，该球形星团距离金牛座大约153光年。 

　　正常情况下，这些恒星在白天是无法观测到的，但是日全食的黑暗将使科学家能够观测到，而且持续时间大约为6分钟。 

　　如果能够到达地球上的观测者，发出的光线将不得不穿过太阳的重力场。 

　　这是一个绝佳的证明爱因斯坦的广义相对论的机会，结果到底如何呢？ 

　　1919年，爱丁顿率领观测队远赴非洲西海岸的普林西比岛和巴西东北部海岸附近的索布拉尔市，两个团队通过在日全食期间拍摄太阳附近的恒星影像，验证了广义相对论中光线的引力偏折效应，从而以确凿无疑的证据将爱因斯坦及相对论推上了物理学的巅峰，也成就了日全食在人类科学史上最完美的演出。 

　　不过，在检验光线弯曲这个复杂的观测过程中，存在很多产生误差的潜在因素，例如昼夜温差导致的底片热胀冷缩、大气扰动的模型变化、底片的成像质量等系统因素。 

　　后来，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日发生日全食时，各国天文学家都组织了检验光线弯曲的观测，公布的结果与广义相对论的预言有的符合较好，有的则不符合。 

　　总的来说，爱因斯坦的广义相对论已经获得了科学家的验证，而且其预言的引力波也在2016年被成功探测到。 

　　图15：日全食期间光线的引力偏折现象 

　　云南天文台的日全食之旅 

　　太阳日冕是耀斑爆发和日冕物质抛射等剧烈活动现象的发源地，在此集聚的磁场能量可以通过磁重联的方式释放。 

　　虽然太阳日冕的观测设备有多种类型（例如可见光及红外波段的日冕仪、紫外波段的空间望远镜和太阳射电望远镜），但是日全食为科学家观测日冕提供了得天独厚的机会，因为来自于光球层的辐射在此期间几乎被月面完全遮挡，这就使得能够直接观测到太阳中高层大气里相对较弱的辐射。 

　　科学研究表明，来自于色球层和日冕层的辐射光谱是解决太阳物理前沿热点问题的重要途径之一。 

　　云南天文台的12名科研人员在国际天文联合会日食委员会核心成员屈中权研究员（云南天文台光纤阵列太阳光学望远镜研究组首席科学家）的带领下，在美国俄勒冈州达拉斯市成功取得美国超级日全食的科学数据，这对于理解太阳日冕百万度高温的形成机理具有极其重要的科学价值。 

　　此外，由屈中权研究员领导的观测团队还包括北京大学和四川理工学院的同事，北京大学观测团队（田晖研究员负责，陈亚杰和张婧雯实施）首次对太阳开展科学观测并获得了100多幅高质量的日冕红线图像，四川理工学院观测团队通过贝利珠出现的精确时间计量来推算太阳半径，取得了真实可靠的科学资料。 

　　由屈中权、钟悦、辛玉新和宋智明组成的第一观测小组通过第一代光纤阵列太阳光学望远镜（获得国家自然科学基金委的国家重大仪器研制专项的经费资助）观测获得日冕绿线辐射强度和两个线偏振分量强度成谱成像科学资料。 

　　相比2013年的加蓬日全食观测，此次观测中的积分视场单元的每一个阵列大小经过显著扩展，使得空间采样点大幅提高，积分视场和空间分辨率增加；线偏振测量由原来单一的斯托克斯Q增加到全部两个线偏振参量Q和U，由此带来的科学价值将大幅度地提高。 

　　图16：由第一代光纤阵列太阳光学望远镜采集到的两次不同调制强度的日冕绿线偏振光谱和平场资料 

　　云南天文台（邓林华、伦宝利和张益恭）和北京大学（田晖、陈亚杰和张婧雯）分别对日冕绿线和红线进行了大视场的成像观测。 

　　日冕绿线（5303埃，形成温度约200万度，可观测到离日面边缘较远处的日冕辐射）和红线（6374埃，形成温度约100万度，可以观测到活动区的日冕结构，同时适合观测冕洞等低温区域）是可见光波段的两条比较强的发射线。 

　　云南天文台的日冕绿线中等带宽滤光成像望远镜，主要科学目标是太阳大气磁场结构的起偏源区、偏振度随高度的变化规律以及与日冕物理模型的对比。 

　　该望远镜得到四组完整的线偏振观测数据并成功获得斯托克斯分量I、Q和U的调制图像，相比2012年澳大利亚日全食观测，此次观测的科学价值有了显著的提高。 

　　北京大学的折射式大视场太阳成像望远镜，主要科学目标是研究日冕尤其是冕洞中的高频波动现象，以帮助我们理解日冕百万度高温形成的原因。 

　　在不足两分钟的日全食期间内，进行了线偏振观测并获得斯托克斯线偏振参量Q和U；此外，还进行了半分钟普通成像观测，获得了时间分辨率约为0.5秒的日冕红线图像，如此高的时间分辨率是目前常规的地基和空基日冕仪无法企及的。 

　　云南天文台的科研队伍还将继续追踪日食，对2019年发生在智利和阿根廷境内的日全食、2020年发生在我国境内的日环食事件开展科学观测。 

　　需要指出的是，屈中权领导的日食观测团队已在2008、2009、2010、2012、2013和2017年全球境内发生的多次日全食和日偏食观测中取得了宝贵的科学资料，并且在国际著名天文学核心期刊上发表了多篇学术论文。 

　　“我要从南追到北，还要从白追到黑”。看，追起日食来，我们科学家的热情和毅力，确实名不虚传吧！ 

　　图17：北京大学折射式大视场太阳成像望远镜获取的日冕红线图像 

　　图18：云南天文台日冕绿线中等带宽滤光成像望远镜获取的偏振调制图像 

　　图19：云南天文台组织的美国日全食观测团队在观测成功后的合影