日食與日凌

蘇更林

在浩瀚的天際，盡管各種天體和人造飛行器相距甚遠(yuǎn)，并且在各自的軌道上運行，但在太陽系中，太陽、地球、月亮以及人造飛行器的光影在一定條件下是可以發(fā)生作用的，由此呈現(xiàn)的光影奇觀令人嘆為觀止。

據(jù)稱，一個地方的人如果不去其他地方，平均400年左右才能看到一次日全食。2015年3月20日，一次壯觀的日全食在天宇上演，但中國絕大部分地區(qū)的人無緣目睹這一奇觀，只有新疆北部地區(qū)的人可看到日偏食。不過，人們不必為此遺憾，因為2016年3月9日還將發(fā)生一次全國許多地區(qū)都能觀賞到的日全食。

從“天狗蝕日”說起……

日食作為古今中外最受人們關(guān)注的天象之一，人們對其科學(xué)的認(rèn)識經(jīng)歷了極其漫長的歲月。在很早以前，“天狗蝕日”的說法就在民間廣為流傳。我國保存有世界上最古老、最系統(tǒng)的日食觀測記錄。不過，限于當(dāng)時的科技水平，人們對于日食的觀測和研究還是十分粗糙的。直到16世紀(jì)中葉，由于天文學(xué)和其他學(xué)科的發(fā)展，人們對日食的觀測研究才得到了發(fā)展和提高，從而逐步揭示了日食的成因。

原來，日食現(xiàn)象是當(dāng)月球繞地球運轉(zhuǎn)到太陽和地球的中間時，如果此時太陽、月球、地球三者正好排成（或接近）一條直線，那么月球就會擋住太陽射向地球的光芒，因此月球的黑影就會正好落到地球上，這時就會發(fā)生日食現(xiàn)象。根據(jù)交食的情況，日食可以分為日全食、日偏食、日環(huán)食三種。

日全食必須在太陽、月球、地球排成一條直線時才能發(fā)生。在日全食的時候，月球在地球的影子分為兩部分，中心的地區(qū)叫本影，外面的區(qū)域叫半影。只有處在本影的位置才能看到日全食;在半影區(qū)域的位置能看到日偏食。也就是說，在發(fā)生日全食時，月球距離地球比較近，此時月球的本影能掃過地球，所以從這個位置來看，月球把太陽全部遮住了。

日環(huán)食作為一種日食現(xiàn)象，發(fā)生概率是非常低的，因此是一種十分少見的天象。當(dāng)月球處于太陽和地球之間的時候，就會遮擋住射向

地球的太陽光。而當(dāng)月球距離地球比較遠(yuǎn)的時候，由于不能完全遮住太陽就會形成日環(huán)食。發(fā)生日環(huán)食的時候，太陽中心黑暗，邊緣明亮，在天空中會形成一個耀眼的光環(huán)。因此，相比于日全食和日偏食來說，日環(huán)食更具有觀賞性。

在日食中現(xiàn)身的“元素”

日食觀測是人們認(rèn)識太陽的重要手段，因此具有十分重要的科學(xué)意義。天文學(xué)家嚴(yán)森和洛克耶通過日全食觀測發(fā)現(xiàn)“太陽元素”的事例，一直被科學(xué)界認(rèn)為是日食觀測史上的一段佳話。巴黎科學(xué)院為了紀(jì)念這一具有劃時代意義的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，特別鑄造了一枚金質(zhì)紀(jì)念牌。這枚金質(zhì)紀(jì)念牌一面雕有傳說中的“太陽神”，另一面則是兩位天文學(xué)家的浮雕像。每當(dāng)人們看到“太陽神”駕駛4套馬車的英姿，就會聯(lián)想到這兩位天文學(xué)家的功績。

日冕的細(xì)節(jié)

在19世紀(jì)，當(dāng)天文學(xué)家預(yù)測到印度將于1868年8月18日發(fā)生日全食時，世界各地的天文學(xué)家和物理學(xué)家異常興奮。法國米頓天體物理觀象臺臺長嚴(yán)森和英國皇家科學(xué)院太陽物理天文臺臺長洛克耶就是其中的代表人物。1868年10月26日，法國巴黎科學(xué)院收到了兩封內(nèi)容相同的來信，分別是嚴(yán)森和洛克耶寫來的，都報告了同一個重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，那就是在觀測日全食時意外地發(fā)現(xiàn)了日餌中的黃色光譜。巴黎科學(xué)院對這兩封來信極為重視，經(jīng)過比對認(rèn)為這條黃色光譜不屬于當(dāng)時已知的任何元素。

后來發(fā)現(xiàn)，這是人類有史以來第一次發(fā)現(xiàn)的一種太陽上的元素，因此人們就取希臘神話中的“太陽神”之意，把這一元素命名為“太陽”元素（中文名稱為“氦”）。為什么日食觀測具有如此重要的科學(xué)意義呢？原來，我們平時所見到的太陽只是它的光球部分，光球外面的太陽大氣則淹沒在它明亮的光輝之中了。其中色球?qū)雍腿彰崾翘柎髿獾膬蓚€重要的層次，對揭示太陽的物理狀態(tài)和化學(xué)組成極具價值。

色球?qū)邮翘柎髿庵械闹虚g層，在光球之上大約有2000千米的厚度;日冕是指太陽外面包裹的具有極高溫度而又十分稀薄的等離子體，其范圍要比太陽本身還大好幾倍呢！據(jù)說，日冕的光度只有太陽本身的百萬分之一，平常由于其完全隱藏在地球大氣散射光造成的藍(lán)色天幕中，因此我們通常是觀測不到它們的。而在發(fā)生日全食時，由于月亮擋住了太陽的光球圓面，從而在漆黑的天空背景中可以相繼現(xiàn)出紅色的色球和銀白色的日冕，因此科學(xué)家可以抓住這一有利時機來觀測色球?qū)雍腿彰?，進而揭示有關(guān)太陽的科學(xué)秘密。

“神的懲罰”是怎么回事？

在漫長的歷史長河中，因觀測日食方法不當(dāng)造成的眼睛傷害不計其數(shù)，古人認(rèn)為那是“神的懲罰”。現(xiàn)在我們早已知道，這是太陽紅外線的熱效應(yīng)對眼睛的灼傷。

原來太陽是一個能夠發(fā)出極度強光的天體，其發(fā)出的強光是由各種頻率的單色光組成的復(fù)色光。我們?nèi)绻烟柟膺M行色散處理，就可以得到赤橙黃綠青藍(lán)紫7種顏色的單色光。這就是我們通常所說的“可見光”。實際上在太陽光中還有并不被我們眼睛感知的“不可見光”，這種“不可見光”主要有紅外線和紫外線等。紅外線的波長非常大，照射到機體上時具有顯著的熱效應(yīng)。太陽紅外線具有很強的穿透力，很容易通過我們眼球的角膜、晶狀體和玻璃狀體而直達(dá)視網(wǎng)膜，當(dāng)它被視網(wǎng)膜上的色素細(xì)胞吸收后就會轉(zhuǎn)化為熱能，從而對視網(wǎng)膜造成嚴(yán)重的灼傷。這在醫(yī)學(xué)上被稱為“日食性視網(wǎng)膜灼傷”，目前對此還沒有有效的治療方法，所以應(yīng)當(dāng)以預(yù)防為主。

電視信號受到日凌干擾

那怎樣觀測日食才安全呢？對于一般的天文愛好者來說，應(yīng)當(dāng)采用以下幾種方法來觀測日食。一是使用保護鏡觀測日食。因為保護鏡可以有效阻隔陽光中的紅外線和紫外線，從而可以保護我們的眼睛免受陽光的傷害。這種保護鏡可以使用兩塊已曝光過的黑白膠片重疊制成，也可以使用特制的太陽屏濾光片，當(dāng)然還可以使用涂有黑墨的玻璃片。無論使用什么樣的保護鏡，都要注意檢查它的濾光效果，只有在確定它安全可靠時才可以使用。二是使用望遠(yuǎn)鏡觀測日食。有些望遠(yuǎn)鏡是專門用于觀測日食和月食的，倍率從幾十倍到二三百倍不等。

日凌——守時的“訪客”

如果說太陽、月球、地球三者排成一條直線會發(fā)生日食現(xiàn)象，那么，太陽、通訊衛(wèi)星和地面接收天線處在一條直線上會發(fā)生什么呢？那就是日凌現(xiàn)象。日凌是一種無法避免的自然現(xiàn)象。在日凌期間，太陽、通訊衛(wèi)星和地面接收天線恰巧處在一條直線上。從地面上看，通訊衛(wèi)星的影子正好投在了太陽上，即通訊衛(wèi)星把太陽給遮擋了。因此，太陽的無線電波就會干擾原本接收衛(wèi)星信號的地面天線，從而造成電視畫面出現(xiàn)雪花甚至黑屏現(xiàn)象。

太陽每時每刻都在向外輻射電磁波，波長從最短的伽馬射線、X射線、紫外線，到我們?nèi)庋勰苤苯痈惺艿降目梢姽?，還有更長的紅外線和無線電波。其實，日凌是一個非常守時的“訪客”，在每年的“春分”和“秋分”時節(jié)都會準(zhǔn)時造訪。這與太陽的轉(zhuǎn)動有關(guān)，只有在每年的春分和秋分前后，太陽才會經(jīng)過地球赤道上空，而赤道上空的地球同步軌道通信衛(wèi)星又與地球保持同步轉(zhuǎn)動。當(dāng)通訊衛(wèi)星正好處于太陽與地球之間的直線上時，衛(wèi)星地球站天線在對準(zhǔn)衛(wèi)星的同時也對準(zhǔn)了太陽，使得太陽產(chǎn)生的強大的電磁波直接投射在了地球站天線上，從而干擾地面天線正常接收衛(wèi)星信號。

對于不同城市，受日凌影響的日期和時間并不一樣，這主要是因為日凌發(fā)生的時間與城市所在地的經(jīng)緯度有關(guān)。收看地區(qū)所在的緯度越高，看到衛(wèi)星的高度越低，太陽的位置越早與之重合，因此發(fā)生日凌的日期越早。緯度相同的地方，經(jīng)度越大，由于衛(wèi)星相對地球自轉(zhuǎn)靜止不動，衛(wèi)星地面站和通訊衛(wèi)星的連線指向天空的位置越靠西邊，因此每天發(fā)生日凌現(xiàn)象的時刻越晚。日凌持續(xù)的時間長短，還與用戶天線的口徑有關(guān)，天線口徑越大，方向性越好，受太陽“噪聲”的干擾就越小，日凌持續(xù)時間就越短。

日凌來訪只是對衛(wèi)星通信造成一定的影響，而對有線電視、手機以及固定電話等基本上不產(chǎn)生影響。這是因為手機一般不通過衛(wèi)星傳輸，而是通過地面基站進行傳播。那么汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)是否會受到日凌影響呢？實際上，盡管汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)也是依賴衛(wèi)星進行定位的，但由于GPS導(dǎo)航系統(tǒng)由多顆衛(wèi)星組成。即便是某一顆衛(wèi)星受到了影響，但還有多顆其他衛(wèi)星可以正常運行，并且這些衛(wèi)星并不在地球同步軌道上，所以汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)是不會受到日凌干擾的。

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