日月食背后的科學(xué)盛宴

韓婷葦

2023年的天空將出現(xiàn)很多奇妙而壯觀的天文現(xiàn)象，這其中就包括令眾多天文愛好者十分期待的日食和月食。今年全球?qū)l(fā)生兩次日食和兩次月食。兩次日食分別是發(fā)生在4月20日的日全環(huán)食和發(fā)生在10月15日的日環(huán)食。其中，4月20日的日全環(huán)食是一次罕見的日食現(xiàn)象，它是日全食和日環(huán)食組成的混合日食，被稱為“第四種日食”?；旌先帐晨雌饋硎窍袢窄h(huán)食還是像日全食，取決于觀察者所在的位置。整個(gè)20世紀(jì)共發(fā)生了228次日食，其中只有6次混合日食。所以，4月發(fā)生的這次混合日食必定會(huì)吸引全世界天文愛好者的目光。

今年的兩次月食分別是發(fā)生在5月5日的半影月食和發(fā)生在10月29日的月偏食。每年可能發(fā)生的月全食最多有三次，最少一次都沒有。2022年全球共發(fā)生兩次月食，且都是月全食。2023年將發(fā)生的兩次月食都不是月全食，有點(diǎn)令人遺憾。當(dāng)然，不管是日食還是月食，對(duì)于天文愛好者和科學(xué)家而言，都是探測(cè)宇宙奧秘的科學(xué)盛宴。

日食以其短暫卻絢爛的演出，吸引著成千上萬的天文、攝影、科普愛好者和科研人員的目光。

日食，指在地球上看到太陽被月球遮蔽的現(xiàn)象。日食主要分為日偏食、日全食和日環(huán)食三種。不同類型的日食，與月球的影子結(jié)構(gòu)和日食時(shí)地球在月影中的位置有關(guān)。若某次日食時(shí)，僅月球的半影落在地面上，該地區(qū)的人只能看到日輪的一部分缺失，就是日偏食；若某次日食時(shí)，月球的本影落到地面上，該地區(qū)的人會(huì)看到整個(gè)日輪被遮蔽，就是日全食；若某次日食時(shí)，只有月球的偽本影到達(dá)地球，則該地區(qū)的人會(huì)看到只有日輪的中央部分暗黑，就是日環(huán)食。

計(jì)算表明，平均每個(gè)世紀(jì)可出現(xiàn)67.2次日全食、82.2次日環(huán)食和82.5次日偏食。也就是說，在地球上看到日偏食的機(jī)會(huì)比較多，對(duì)于同一地區(qū)而言，平均每3年就可以看到一次日偏食。不過，由于日全食帶和日環(huán)食帶非常狹窄，每次日食時(shí)僅占據(jù)地球表面積的極少部分，有時(shí)還位于人口稀少或難以到達(dá)的地區(qū)，所以對(duì)于某一具體地區(qū)來說，看到日全食和日環(huán)食的機(jī)會(huì)就不算多了。

雖然日食的發(fā)生具有不確定性，地球也并非太陽系中唯一能夠欣賞日食或月食的行星，但地球仍然是欣賞日全食的“最佳觀影區(qū)”。這是因?yàn)槿杖车陌l(fā)生首先就要求行星要有較大的衛(wèi)星。以火星為例，雖然火星有兩個(gè)衛(wèi)星，但它們都太小了，不能完全擋住太陽，因此在火星上看到的只是日偏食或是日環(huán)食。

我們能在地球上欣賞到壯觀的日全食，要多虧月球完美的大小和月、地、日之間的相對(duì)距離。太陽直徑大約是月球直徑的400倍，太陽到地球的距離差不多也是月球到地球距離的400倍。因此從地球上看，人們會(huì)覺得太陽和月球幾乎一樣大，當(dāng)月球運(yùn)行到地球和太陽中間且完全擋住太陽時(shí)，我們就能在地球上欣賞到壯觀的日全食了。

日全食是最神秘、最壯觀、最具科研價(jià)值的天文現(xiàn)象之一。每一次日全食不僅會(huì)帶來超炫的視覺享受，更像一場(chǎng)科學(xué)盛宴！一個(gè)多世紀(jì)以來，科學(xué)家們已經(jīng)利用日全食實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)突破性研究成果，比如，破譯太陽的結(jié)構(gòu)和爆炸事件，為愛因斯坦的廣義相對(duì)論提供有力證據(jù)，發(fā)現(xiàn)了一種新的化學(xué)元素—氦，等等。所以，每一次日全食都會(huì)令全球科學(xué)家深深著迷。

太陽的大氣可分為光球、色球、日冕三層。平時(shí)人們看到的日輪是太陽的最底層大氣（光球），厚度僅幾百千米，太陽的可見光輻射幾乎全部是由光球發(fā)射出來的。光球上方是厚度為幾千千米的色球，亮度只有光球的萬分之一。色球的外面有一層延伸至幾個(gè)太陽半徑之外的最外層大氣（日冕），亮度只有光球的百萬分之一。平時(shí)，暗弱的色球和日冕完全被明亮的天空背景所淹沒，人們想看見它們，必須借用專門的日冕儀。但發(fā)生日全食時(shí)，由于明亮的光球被月亮遮蔽，全食帶地區(qū)上空的大氣因失去強(qiáng)光照射而變得很暗，這使得紅色的色球和銀白色的日冕得以顯現(xiàn)，為研究它們提供了絕佳的機(jī)會(huì)。在日全食這一特定的時(shí)機(jī)和特定的條件下，科學(xué)家們通過觀測(cè)色球和日冕來研究太陽的物理狀態(tài)和化學(xué)組成。例如，在1868年8月18日的日全食觀測(cè)中，法國的天文學(xué)家讓桑就從拍攝到的日珥的光譜中發(fā)現(xiàn)了一種新的元素—氦。在他發(fā)現(xiàn)氦20多年后，英國化學(xué)家拉姆賽才在地球上找到氦。

日冕是太陽活動(dòng)的重要發(fā)生區(qū)域，太陽的種種活動(dòng)都會(huì)強(qiáng)烈影響地球生命的繁衍、通信導(dǎo)航、氣象氣候等，因此，日冕的結(jié)構(gòu)、演化、物理機(jī)制等一直是空間物理研究的重要內(nèi)容?！犊茖W(xué)》雜志曾評(píng)選出了當(dāng)代天文學(xué)八大未解之謎，其中就包含了違背熱力學(xué)第二原理的日冕加熱問題。這個(gè)問題也一直是國際物理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

借助日全食發(fā)生的原理，科學(xué)家設(shè)計(jì)了“人造日全食”—日冕儀。日冕儀就是選用合適的濾光片充當(dāng)“月球”，擋在望遠(yuǎn)鏡和太陽中間以制造出日全食的效果，這樣一來，科學(xué)家就可以通過日冕儀來持續(xù)觀測(cè)太陽日冕。

“太陽和日球?qū)佑^測(cè)臺(tái)”（SOHO）是20世紀(jì)最著名的太陽觀測(cè)衛(wèi)星之一，提供了史無前例的對(duì)日觀測(cè)信息。該圖顯示了SOHO通過日冕儀觀測(cè)到的日冕物質(zhì)拋射的壯觀景象。

日冕物質(zhì)拋射是太陽向外拋射日冕物質(zhì)的現(xiàn)象，表現(xiàn)為幾分鐘至幾小時(shí)內(nèi)從太陽向外拋射一團(tuán)日冕物質(zhì)（速度從幾十千米每秒直至超過1000千米每秒的等離子體），從而劇烈改變?nèi)彰岬男螒B(tài)和磁場(chǎng)的位形。由于太陽離地球很近，因此這些能量的釋放可能會(huì)對(duì)地球產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，比如影響空間探測(cè)和衛(wèi)星運(yùn)行、地基通信、電網(wǎng)和電力設(shè)施、輸油管道等。上圖顯示，SOHO日冕儀捕捉到一顆彗星沖進(jìn)太陽的畫面。巧合的是，當(dāng)時(shí)太陽表面正發(fā)生了大規(guī)模日冕物質(zhì)拋射。（圖左的白色空心圓對(duì)應(yīng)太陽日面的大小。圖源：NASA）

我們不僅可以利用日全食研究太陽，也可以研究地球。發(fā)生日全食時(shí)，因?yàn)樵虑驎?huì)遮擋住太陽，所以會(huì)導(dǎo)致到達(dá)地面的太陽輻射降低。在地球大氣大約60～1000千米區(qū)域內(nèi)，中性氣體分子會(huì)因太陽輻射等的作用被部分電離，形成導(dǎo)電的電離層，而太陽輻射會(huì)影響電離層的電子產(chǎn)生率，所以電離層在白天和夜晚會(huì)產(chǎn)生不同的分層結(jié)構(gòu)：白天，太陽輻射大，電離層分為D層、E層、F層（又分F1層和F2層），整體電子密度高；夜間，整體電子密度低，只存在E層和F層。

某種程度上，日全食就像一次快速的日落日出，日食陰影區(qū)電離層光的電離突然停止，電子密度會(huì)顯著下降，同時(shí)也會(huì)影響電子溫度等。日全食的出現(xiàn)，給人們提供了一個(gè)在特殊情況下研究太陽輻射對(duì)地球大氣層影響的絕佳機(jī)會(huì)。我們可以通過多種手段來測(cè)量電離層對(duì)日全食的響應(yīng)，例如電離層測(cè)高儀、非相干散射雷達(dá)、GNSS（全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）掩星等。通過這些手段，研究人員發(fā)現(xiàn)，日全食不僅作用于陰影區(qū)，還會(huì)通過大尺度重力波向全球范圍傳播。還有一些影響會(huì)通過熱層大氣環(huán)流沿磁力線運(yùn)輸，產(chǎn)生電離層的共軛響應(yīng)。

除了電離層，太陽輻射對(duì)地球電磁場(chǎng)、臭氧層、低層大氣，以及其他地球環(huán)境（如引力場(chǎng)、重力場(chǎng)、固體潮和宇宙線變化等）的影響等，也都可以在日全食時(shí)得到更深入的研究。

除了日食，由月球和地球相對(duì)位置的變化而產(chǎn)生的絢麗景象也有很多，比如月相、月食和“超級(jí)血月”等。

我們知道，月球是靠反射太陽光而發(fā)亮的，所以對(duì)于地球上的觀測(cè)者來說，隨著太陽、月球、地球相對(duì)位置的變化，不同日期的月球會(huì)呈現(xiàn)出不同的形狀，這就是月相的周期變化。當(dāng)月球處于日地連線上時(shí)，地球上的人幾乎無法看到月亮，此時(shí)的月相被稱為“朔月”；當(dāng)月球處于日地連線的延長線上時(shí)，地球上的人能看到一個(gè)又滿又圓的月亮，此時(shí)的月相被稱為“望月”（也稱滿月）。從朔月到望月再到朔月的整個(gè)月相變化周期為29.5天，即一個(gè)朔望月。我國農(nóng)歷意義上的一個(gè)月指的就是一個(gè)朔望月。

月食分為月偏食、半影月食和月全食。月偏食是指月球只有部分進(jìn)入地球本影內(nèi)。半影月食是指月球運(yùn)行到地球的半影里，月亮依然圓潤無缺，但光度減弱，像被一層薄云遮住。月全食最為壯觀。當(dāng)月球完全處于地球本影內(nèi)，直射到月球上的陽光全部被地球遮擋而無法照到月球上時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)月全食。

雖然月食總是發(fā)生在滿月時(shí)，但并不是每次滿月都會(huì)發(fā)生月食。因?yàn)樵率车陌l(fā)生需要太陽、地球、月球恰好或幾乎位于同一條直線上，滿月只是條件之一。當(dāng)?shù)厍蜿幱拔挥诘厍蚬D(zhuǎn)軌道面（黃道面）時(shí)，此平面與月球公轉(zhuǎn)軌道面（白道面）并不重合，而是有約5度的夾角，所以滿月時(shí)的月球經(jīng)常不在黃道面內(nèi)，而是在黃道面偏北或偏南的地方，因此并不是每次滿月都會(huì)發(fā)生月食。

與日食相比，月食沒有月環(huán)食。這是由于地球的直徑約是月球的4倍，所以當(dāng)太陽、月球、地球呈一條直線而月球位于中間時(shí)，太陽光可以透過月球四周到達(dá)地球而形成日環(huán)食；但當(dāng)?shù)厍蛟谥虚g時(shí)，射到月球的光完全被地球擋住而無法到達(dá)月球，所以就無法形成月環(huán)食。

月全食時(shí)，月面亮度并不會(huì)完全漆黑，相反，由于瑞利散射的作用，月球表面會(huì)呈現(xiàn)為暗紅色或橙色。這是由于盡管地球會(huì)阻擋直射的陽光，但仍有一小部分光線會(huì)被地球大氣層折射并到達(dá)月面。陽光中，藍(lán)光的波長較短，容易被大氣中的微粒散射掉（天氣晴朗時(shí)，天空呈藍(lán)色就是因?yàn)樗{(lán)光被散射到四處），紅光的波長較長，不容易被散射，能更多到達(dá)月面，所以月全食時(shí)的月球看上去呈暗紅色或橙色，人們將其稱為“血月”。

我們知道，月球繞地球公轉(zhuǎn)的軌道呈橢圓形。月球距離地球最遠(yuǎn)和最近的兩個(gè)點(diǎn)分別被稱為遠(yuǎn)地點(diǎn)和近地點(diǎn)。遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)，兩者距離約40.5萬千米；近地點(diǎn)時(shí)，兩者距離約36萬千米。對(duì)于地球上的觀測(cè)者而言，望月時(shí)的月球看起來最大；而當(dāng)望月遇上近地點(diǎn)，人們就能看到更大、更亮、更圓的月亮，即“近地點(diǎn)滿月”，人們更習(xí)慣稱之為“超級(jí)月亮”。

月球的朔望月比近點(diǎn)月多兩天，所以出現(xiàn)近地點(diǎn)滿月之后，大約經(jīng)過14個(gè)朔望月（15個(gè)近點(diǎn)月）后就會(huì)又迎來一個(gè)近地點(diǎn)滿月，如此，“超級(jí)月亮”的出現(xiàn)周期便可大致估算為14個(gè)月。當(dāng)然，“超級(jí)月亮”并沒有準(zhǔn)確的定義，很多接近近地點(diǎn)的滿月都被叫作“超級(jí)月亮”。如果“超級(jí)月亮”和“月全食”同時(shí)在夜空上演，就會(huì)出現(xiàn)罕見的“超級(jí)血月”。

雖然2023年不會(huì)發(fā)生月全食，但5月5日的半影月食和10月29日的月偏食，我國均可見全過程，也算一件幸事。不過想順利觀測(cè)到今年發(fā)生的兩次日食，就沒那么幸運(yùn)了。4月20日發(fā)生的日全環(huán)食雖然是非常難得的天象奇觀，但它的最佳觀測(cè)地為印度尼西亞的比亞克島，我國僅部分地區(qū)可見食分較小的日偏食，實(shí)在可惜。10月15日發(fā)生的日環(huán)食會(huì)從太平洋東北部開始，然后經(jīng)過美國、墨西哥、洪都拉斯、尼加拉瓜、巴拿馬、哥倫比亞、巴西，最后在巴西東部的大西洋洋面上結(jié)束，在我國也觀測(cè)不到。

我國最近一次大范圍可觀測(cè)的日全食發(fā)生在2009年7月22日。那時(shí)，西藏東南、云南西北、四川中偏南、重慶大部、湖北中南、湖南北端、河南東南角、安徽南半部、江西最北端、江蘇南部、浙江北部、上海絕大部（除崇明島西北端）均可見日全食，其余地區(qū)可見日偏食。

上一次壯觀的日全食發(fā)生在2021年12月4日，但我國不可見。因?yàn)槟谴稳杖车娜硯拇笪餮竽喜块_始，經(jīng)過南極洲且在太平洋南部結(jié)束，唯一能見到那次日全食的大陸就只有南極洲，因此實(shí)地目擊者寥寥可數(shù)。下一次地球上多數(shù)人都能觀測(cè)到的、持續(xù)時(shí)間最長的日全食將出現(xiàn)在2027年8月2日的埃及境內(nèi)。就我國境內(nèi)觀測(cè)而言，2040年前還可看到兩次日全食，一次是發(fā)生在2034年3月20日的日全食，我國新疆和西藏的交界地區(qū)可見；另一次是發(fā)生在2035年9月2日的日全食，全食帶將橫越中國西北和華北地區(qū)，覆蓋北京、包頭、大同、秦皇島等地。讓我們一起期待下次日全食的到來。