日全食中的物理知識

戴建新

日食雖然每年都有發(fā)生，但是日全食并不多見，平均每三年見到兩次，又由于只有在兩三百千米寬、幾千千米長的全食帶里才能看到，因此，就某個地方而言，平均大約300年才能看到一次。

1日全食的原理

光源發(fā)出的光，照到不透明的物體上，在物體后面形成一個光線照不到的黑暗區(qū)域，這就是物體的影。

從點光源在物體后方產(chǎn)生的影可以看出，影的范圍是由光的直線傳播確定的，即由光源發(fā)出的并與物體表面相切的光線圍成的范圍(見圖1)。因此，影的形狀與物體的輪廓的形狀相似。觀察者如果位于陰影區(qū)，就完全看不到光源。

日全食的發(fā)生和月亮息息相關，因此要研究日全食，首先必須從月亮著手，我們知道月球背著太陽的一面拖著一條長長的影子，稱為月影。太陽光源的發(fā)光面比較大，它的每個發(fā)光點都在月亮后方形成影區(qū)。月影有本影、偽本影(本影的延長部分)和半影三種。本影和偽本影都呈錐狀。不同種類的月影掃過地球的表面，便產(chǎn)生不同種類的日食(見圖2)。地球上處于月球本影區(qū)的觀察者，由于月球的遮擋，完全看不到太陽光線，即看到日全食。處于月球半影區(qū)的觀察者，由于月球的遮擋，只能看到太陽的一部分發(fā)出的光線，即看到日偏食。處于月球偽本影區(qū)的觀察者，由于月球的遮擋，只能看到太陽邊緣發(fā)出的環(huán)型光線，即看到日環(huán)食。

我們知道，月球不斷地繞地球運動，周期為一恒星月，其軌道無限擴大到天球上，就是月球周天運行的軌跡，稱為白道。地球又帶著月球不停地繞太陽運動，周期為一恒星年。地球公轉的軌道無限擴大到天球上，就是地球周天運動的軌跡，稱為黃道。太陽、月球在天球上的運動方向相同，均為逆時針自西向東。由于月球自身不發(fā)光不透明，但卻會遮蔽日光，在太陽的照射下，月球在其背日一側形成一條長長的圓錐形月影。在月球繞轉地球的過程中，月球是拖著自己的影子在空間繞轉地球的，當其運行到太陽和地球之間，即日月臺朔之時(即農(nóng)歷初一)，日、地、月三者恰好處在或接近在一條直線上，月球影錐就會掃到地球，處在月球影錐內(nèi)的地球觀測者，將觀察到太陽較暗黑的月輪部分或全部地遮掩，這就是日食現(xiàn)象及其原理。

2日全食與電磁學

日全食時，太陽光輻射太陽風(帶電粒子流)突然被月亮遮擋，從而也是研究太陽對地球電離層、地磁場、低空大氣。以及各種其它地球環(huán)境產(chǎn)生影響的好時機。

日全食發(fā)生時。距離地球表面60Km至400Km的大氣電離層將出現(xiàn)變化。由于太陽紫外線減少。電離層釋放的正負離子和自由電子的密度也將發(fā)生變化，這將給利用電磁波的短波通信、全球定位系統(tǒng)等帶來影響。眾所周知，無線電廣播和通訊依賴于地球高層電離層對無線電波的反射，而電離層的存在則是由于太陽紫外線和X射線對地球大氣層的電離作用，形成了D、E、F₁和F₂等幾個不同高度的電離。觀測已經(jīng)證實，太陽光被月球遮擋時，日全食地區(qū)上空的電離層狀態(tài)有明顯變化。這種變化和影響隨地理緯度、季節(jié)和日全食時的太陽高度而不同。

從日食開始到食甚，中高層大氣密度下降，電離層電子濃度將逐漸下降，造成短波通訊的臨界頻率下降，大部分短波頻道的廣播信號在食甚前后消失，在日食結束后，少量的短波頻段會因為日全食的后續(xù)效應發(fā)生二次中斷。此外，經(jīng)過日食帶電離層的電波路徑被顯著改變，對GPS單頻接收系統(tǒng)的導航定位精度產(chǎn)生明顯影響，此影響在食甚過后十幾分鐘后達到最大，然后逐漸減小，直至消失。受全食影響區(qū)域的電離層天氣從受影響到完全恢復需要3～4h。沒有出現(xiàn)日全食的地方，電離層不會出現(xiàn)很大的變化。另外。日全食只是光源被遮擋，而太陽輻射并沒有出現(xiàn)變化，不會對地面的電磁波構成影響，因此手機通信一般不受影響。

實際觀測同樣表明，日全食期間地球磁場也有明顯變化。這是由于在地磁場中除了地球本身的磁場外，還有太陽風的帶電粒子在地磁場中運動形成的感應磁場。當月亮遮擋太陽風時，感應場必定變化，從而使觀測到的磁場發(fā)生變化，與地磁場有關的地電也會有相應的變化。通過觀測研究。可以獲得地磁場結構以及太陽風與地磁場相互作用的知識。

3日全食與熱學

日全食發(fā)生時我們平時看到的光芒四射的太陽已被月亮完全遮住，只能看到一個黑色圓面。但正是因為如此，我們看到了平時見不到的景象：伸展到幾個太陽半徑之遠的日冕。由于它亮度只有日面亮度的百萬分之幾。所以，除非把太陽本體全部擋住，否則是看不見的。這也就是為什么日全食觀測對科學家如此重要：它提供了一個難得的觀測日冕的機會。

根據(jù)宇宙大爆炸理論，恒星有向其引力中心坍縮的趨勢。恒星坍縮的結果，是使熱核反應在恒星內(nèi)部點燃。從而形成從內(nèi)到外溫度遞減的恒星結構。這種恒星結構理論預言了太陽的溫度從內(nèi)部的上千萬度降到表面的幾千度。即太陽發(fā)光的源泉是內(nèi)部的熱核反應。這一理論相當成功，理論預言的表面溫度與恒星表面光譜測量的結果符合得很好。但奇怪的是，光譜觀測發(fā)現(xiàn)，到了表面光球層以外的日冕層。太陽大氣的溫度又突然增高到了上百萬度。這與人們的常識似乎背道而馳。常識告訴我們：離熱源越近，溫度越高。而此處正好相反：到了日冕層，離熱源(太陽核心)已經(jīng)越來越遠，溫度反而升高了。這一奇怪的現(xiàn)象長期沒有得到合理和公認的解釋。因而被稱為“日冕加熱問題”。這一問題已經(jīng)困擾天文學家很多年了。

4日全食與廣義相對論

在廣義相對論建立之初，愛因斯坦提出了三項實驗驗證：一是水星近日點的進動，二是光線在引力場中的彎曲，三是光譜線的引力紅移。其中只有水星近日點的進動是已經(jīng)確認的事實，其余兩項只是后來才陸續(xù)得到證實。上世紀60年代以后，又有人提出雷達回波延遲、引力波等方案。

光線在引力場中的彎曲說的是：在沒有引力存在的空間。光線沿直線前進。在引力作用下，光不再沿直線傳播。例如，星光經(jīng)太陽附近時，光線將向太陽一側發(fā)生偏折(見圖3)。

這一現(xiàn)象最早是愛因斯坦在1911年《引力對光傳播的影響》一文中討論的。他提出，光線經(jīng)過太陽附近時由于太陽引力的作用會發(fā)生彎曲，他推算出偏角為0.83"，并指出這一現(xiàn)象可以在日全食時進行觀測。

1914年，德國天文學家弗勞德(E.F.Freundlich)領隊去克里木島準備對當年8月的日全食進行觀測，但由于第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，觀測未能進行。幸虧如此。因為愛因斯坦當時只考慮到等價原理，計算結果小了一半。1916年，愛因斯坦根據(jù)完整的廣義相對論對光線在引力場中的彎曲重新作了計算。他不僅考慮到太陽引力的作用，還考慮到太陽質量導致空間的幾何形變。給出了光線的偏角計算公式為：a=1"，75R₀／r，其中R₀為太陽半徑，r為光線到太陽中心的距離。

1919年日全食期間，英國皇家學會和英國皇家天文學會派出了由愛丁頓(A.S.FEddington)等人率領的兩支觀測，隊分赴西非幾內(nèi)亞灣的普林西比和巴西的索布臘兒爾兩地觀測。經(jīng)過比較，兩地的觀測結果分別為1"，61±0"，30和1"，98±0"，12。把當時測到的偏角數(shù)據(jù)跟愛因斯坦的理論預期比較，發(fā)現(xiàn)在實驗誤差范圍內(nèi)與理論預期值取得了很好的一致，從而確認廣義相對論的結論是正確的。這是廣義相對論創(chuàng)立以來最早得到科學界認同的最重大的成果。到目前為止科學家對400多顆恒星作了測量，射電天文學的發(fā)展使人類不用等日全食發(fā)生也能在地球上進行精度很高的觀測，且與理論值符合。