日食奇觀背后有多少科學(xué)奧秘

趙然子

日全食和日環(huán)食都是令人震撼的天文現(xiàn)象，在一次日食過(guò)程中二者兼具更是難得一見(jiàn)。雖然受限于地理位置，我國(guó)僅有東南部地區(qū)可見(jiàn)食分極小的日偏食，但我們可以先來(lái)了解日食的科技價(jià)值及觀測(cè)知識(shí)，為下一次2035年光臨北京的日全食做好準(zhǔn)備。

為何日食總遇農(nóng)歷初一

說(shuō)到天文奇觀，如果沒(méi)有親歷一次日全食，真可謂“開談不說(shuō)紅樓夢(mèng)，讀盡詩(shī)書也枉然”。人類的壽命之于宇宙如白駒過(guò)隙，著名的哈雷彗星每75年至76年回歸一次，便幾乎窮盡了人的一生，更別提那些動(dòng)輒數(shù)千年一個(gè)輪回的周期彗星。像百年一遇的金星凌日，如果錯(cuò)過(guò)了2012年，那么下一次就要等到2117年了。因此相比而言，日全食出現(xiàn)的頻率算高的，一年2～5次。自哥白尼時(shí)代起，人們認(rèn)識(shí)到地球是圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的一顆行星，地球還有一個(gè)圍繞自己旋轉(zhuǎn)的伙伴“月球”。而日食的出現(xiàn)，就發(fā)生在地球、月球和太陽(yáng)排成一條直線時(shí)。

4月20日發(fā)生的日食恰逢中國(guó)農(nóng)歷三月初一。熟悉農(nóng)歷的人都知道，日食有個(gè)規(guī)律，必然發(fā)生在農(nóng)歷初一，原因是每到農(nóng)歷初一，月球便會(huì)運(yùn)行到地球和太陽(yáng)之間，人們看不到月亮，這就是月相變化的“朔”。當(dāng)?shù)亍⒃?、日呈一條直線排列時(shí)，月球擋住了太陽(yáng)，就會(huì)形成日食。

日食出現(xiàn)在農(nóng)歷初一，但并非每個(gè)農(nóng)歷初一都有日食。因?yàn)樵虑颦h(huán)繞地球的軌道與地球環(huán)繞太陽(yáng)的軌道并不在同一個(gè)平面之上。地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道“黃道”與月球圍繞地球公轉(zhuǎn)的軌道“白道”存在一個(gè)5度左右的小夾角。這意味著，在農(nóng)歷初一，月球可能運(yùn)行在黃道的上方或下方，只有在特定的時(shí)間和空間范圍內(nèi)，地球、月球和太陽(yáng)才能恰好或幾乎成一條直線，形成日食。

混合日食與月影有關(guān)

太陽(yáng)和月亮是宇宙留給人類最寶貴的奇跡。太陽(yáng)的直徑比月球大約400倍，而它們與地球的距離之差也恰巧約400倍，這才使得我們?cè)诘厍蛏峡吹降奶?yáng)和月亮幾乎是一樣大的，日食這個(gè)天象也因此變得豐富多彩。

天文學(xué)一般把日食分為3種情況：日偏食、日全食和日環(huán)食。其實(shí)，日食之所以分為這么多類型，主要是由于地球處于月球陰影的位置不同而產(chǎn)生的差異。月影有本影、偽本影和半影之分。不透明體遮住光源時(shí)，如果光源是比較大的發(fā)光體，所產(chǎn)生的影子就有兩部分，完全暗的部分叫本影，半明半暗的部分叫半影，而偽本影就是光線相交后形成的影，只發(fā)生在障礙物比較小的情形下，光線從它的邊緣過(guò)去在排遣面相交，屏在相交點(diǎn)的后面時(shí)形成像。月球的本影或偽本影在地面掃過(guò)的區(qū)域稱為日食帶。在月亮本影掃過(guò)的地區(qū)，太陽(yáng)光全部被遮住，人們所看到的是日全食；在半影掃過(guò)的地區(qū)，月球僅遮住日面的一部分，人們看到的是日偏食；當(dāng)人們位于“月球偽本影區(qū)”時(shí)，看到的就是日環(huán)食。

這次發(fā)生在南半球十分罕見(jiàn)的日全環(huán)食，便集合了環(huán)食和全食兩種情況。但大家不要誤解，這并非是指在一個(gè)觀測(cè)地點(diǎn)能同時(shí)看到這兩種食象，而是指在不同的觀測(cè)地點(diǎn)，可以分別看到日全食和日環(huán)食。4月20日發(fā)生的日全環(huán)食帶從印度洋南部開始，經(jīng)過(guò)澳大利亞的?？怂姑┧?，東帝汶東南部，印度尼西亞的亞馬魯古省、巴布亞省，在太平洋西部結(jié)束。由于這次地球與月球的距離十分微妙，在日食帶的兩端，便處于月球偽本影區(qū)，人們可以觀測(cè)到日環(huán)食，而在日食帶中部的絕大部分地區(qū)，人們觀測(cè)到的都是日全食。在遠(yuǎn)離日食帶的地方，也就是半影區(qū)，人們看到的是日偏食。我國(guó)由于所處地理位置距離日食帶較遠(yuǎn)，這一次只在東南部地區(qū)能觀測(cè)到極小食分的日偏食。

研究表明，本世紀(jì)會(huì)有224次日食，其中僅有7次日全環(huán)食（占3.1%）。上周發(fā)生的是本世紀(jì)第三次日全環(huán)食，之前兩次分別發(fā)生于2005年4月8日和2013年11月3日。遺憾的是，全部7次日全環(huán)食都與我國(guó)無(wú)緣，日全食或日環(huán)食的機(jī)會(huì)倒是不少，比如，在2030年6月1日我國(guó)北部大部分區(qū)域可觀測(cè)到日環(huán)食，在2034年3月20日我國(guó)西部可觀測(cè)到日全食，尤其是2035年9月2日的日全食帶將橫穿整個(gè)中國(guó)大陸，屆時(shí)北京可以觀測(cè)到整個(gè)過(guò)程。

觀測(cè)日全食有門道

對(duì)于公眾而言，日全食應(yīng)該算是與太陽(yáng)最直接的一次親密接觸，無(wú)論是不是天文愛(ài)好者，遇此盛事，想必都是不愿意錯(cuò)過(guò)的。但觀測(cè)日全食，就像看一場(chǎng)球賽，其實(shí)有很多門道與注意事項(xiàng)。

我們可以將日全食發(fā)生的過(guò)程分為5個(gè)階段：初虧、食既、食甚、生光和復(fù)原?！俺跆潯敝冈虑虻倪吘壟c太陽(yáng)的邊緣相切之時(shí)，是日食的開始階段；“食既”指太陽(yáng)剛剛被月球完全擋住的時(shí)候，也就是日全食的開始階段；“食甚”指兩個(gè)星球中心重合或最為接近的時(shí)刻；“生光”指日全食階段的結(jié)束，太陽(yáng)從完全被遮擋的狀態(tài)開始恢復(fù)；“復(fù)原”是月球的邊緣與太陽(yáng)邊緣分離之時(shí)相切的瞬間，整個(gè)日全食結(jié)束。至于日環(huán)食，由于月亮無(wú)法完全遮蔽太陽(yáng)，因此也就沒(méi)有“食既”和“生光”的過(guò)程，取而代之的是“環(huán)食始”和“環(huán)食終”。日偏食只有初虧、食甚和復(fù)原3個(gè)階段，其中食甚的時(shí)刻，是月球遮擋太陽(yáng)最大的時(shí)刻。

在全食的階段，由于沒(méi)有太陽(yáng)光球?qū)用髁恋墓饷?，天空驟然暗淡，我們不僅可以在白天看到天上出現(xiàn)許多星星，連平時(shí)被陽(yáng)光淹沒(méi)的玫瑰色美麗的色球?qū)印咨l(fā)散的太陽(yáng)大氣外層日冕層以及火焰般不斷噴發(fā)搖曳的日珥，都可以通過(guò)肉眼直接觀測(cè)到。另外，在日全食的食既即將到來(lái)和生光剛剛開始的兩個(gè)階段，由于月球表面凹凸不平，太陽(yáng)光會(huì)透過(guò)這些洼地或山谷，形成一串珍珠般的光點(diǎn)，十分晶瑩瑰麗，我們稱其為“貝利珠”。

遺憾的是，全部7次日全環(huán)食都與我國(guó)無(wú)緣，日全食或日環(huán)食的機(jī)會(huì)倒是不少，比如，在2030年6月1日我國(guó)北部大部分區(qū)域可觀測(cè)到日環(huán)食，在2034年3月20日我國(guó)西部可觀測(cè)到日全食，尤其是2035年9月2日的日全食帶將橫穿整個(gè)中國(guó)大陸，屆時(shí)北京可以觀測(cè)到整個(gè)過(guò)程。

但特別需要提醒的是，觀測(cè)日全食，除了全食階段以外，無(wú)論是用肉眼、佩戴日常墨鏡，還是用相機(jī)、雙筒或單筒望遠(yuǎn)鏡，都不可以直接觀看，否則太陽(yáng)強(qiáng)光會(huì)給眼睛帶來(lái)不可逆的傷害。為了保護(hù)眼睛，古人曾通過(guò)水盆觀看倒影的方式避免直接接觸太陽(yáng)光，后人又改用油，進(jìn)一步減少日光的刺激。到了元代，天文學(xué)家郭守敬發(fā)明了天文觀測(cè)儀器“仰儀”，能更加安全且精確地觀測(cè)太陽(yáng)。而現(xiàn)代人可以使用專業(yè)的太陽(yáng)觀測(cè)眼鏡來(lái)保護(hù)眼睛，在使用相機(jī)記錄或使用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)時(shí)，則需要給相機(jī)和望遠(yuǎn)鏡加上巴德膜等濾光裝置，或使用其他專門的太陽(yáng)觀測(cè)設(shè)備。

觀測(cè)日全食是一種極為難得的體驗(yàn)，雖然以全球作為統(tǒng)計(jì)，每年發(fā)生的次數(shù)并不少，但每次能夠滿足觀測(cè)條件的地點(diǎn)屈指可數(shù)，能親臨現(xiàn)場(chǎng)的人更是少之又少。不過(guò)，好在現(xiàn)代科技手段能幫助我們通過(guò)電視或網(wǎng)絡(luò)直播來(lái)欣賞和了解觀測(cè)知識(shí)，為2035年9月2日發(fā)生在北京的日全食提前做好準(zhǔn)備。

日食對(duì)人類科研的價(jià)值

我國(guó)其實(shí)是世界上最早對(duì)日食進(jìn)行記錄的國(guó)家，最早的文字記載出自夏仲康五年秋九月庚戌朔（約公元前二十世紀(jì)）《竹書紀(jì)年》：“日有食之?！币约啊段墨I(xiàn)通考》中所記：“日有食之，書胤征乃季秋月朔，辰弗集于房，瞽奏鼓，嗇夫馳，庶人走，羲和尸厥官罔聞知。”這次日食記錄被稱為“仲康日食”。

通過(guò)對(duì)歷史記錄的分析，我國(guó)古代的天文官總結(jié)出日食現(xiàn)象出現(xiàn)的周期。由于日食、月食的發(fā)生，都與地球、月球和太陽(yáng)三者的位置相關(guān)，因此古人將日月食統(tǒng)稱為“交食”。中國(guó)古代最早對(duì)交食周期的記載是西漢的《太初歷》，周期為135個(gè)朔望月，宋代的《統(tǒng)天歷》計(jì)算的交食周期增至223個(gè)朔望月，相當(dāng)于古巴比倫人的沙羅周期，而唐代的《五紀(jì)歷》所計(jì)算的交食周期為358個(gè)朔望月。當(dāng)美國(guó)天文學(xué)家紐康通過(guò)天體力學(xué)推算出的“紐康周期”同樣為358個(gè)朔望月時(shí)，已經(jīng)是19世紀(jì)了。

無(wú)論是在東方還是在西方，科學(xué)家都不僅僅將日食視為一個(gè)天象奇觀，而是將其當(dāng)作了解科學(xué)知識(shí)和認(rèn)識(shí)宇宙的途徑。

古希臘天文學(xué)家阿里斯塔克嘗試通過(guò)幾何學(xué)的方法計(jì)算太陽(yáng)、月球與地球的距離之比。他認(rèn)為月亮在弦月也就是一半被照亮的時(shí)候，太陽(yáng)、月球與地球應(yīng)該組成一個(gè)直角三角形，這時(shí)只要測(cè)量出月球、地球和太陽(yáng)的角度，就可以得到太陽(yáng)距地球和月球距地球的比值。然而測(cè)量出的角度非常接近90度，甚至超出當(dāng)時(shí)人們所能掌握的測(cè)量精度，這說(shuō)明太陽(yáng)與地球的距離要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于月球與地球的距離。同時(shí)，結(jié)合在日全食中看起來(lái)幾乎同樣大小的太陽(yáng)與月球，阿里斯塔克不僅得出了太陽(yáng)的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于月球的結(jié)論，甚至最早提出了地球圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的古樸日心說(shuō)理論。1800多年后的哥白尼，正是受到阿里斯塔克的啟發(fā)才完成了偉大的天文學(xué)著作《天體運(yùn)行論》。

日全食最初是幫助人們了解太陽(yáng)的重要工具。在日全食發(fā)生的時(shí)候，太陽(yáng)的本體被月球遮擋，天文學(xué)家才可以輕松地對(duì)色球?qū)?、日冕層和日珥進(jìn)行觀測(cè)，這在現(xiàn)代觀測(cè)設(shè)備出現(xiàn)之前是難以想象的。1868年8月18日，法國(guó)天文學(xué)家皮埃爾·讓森在印度追尋日全食，在太陽(yáng)完全被遮住后，他通過(guò)光譜儀對(duì)色球?qū)舆M(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)了一條明亮的黃線，從而檢測(cè)到一種全新的化學(xué)元素“氦”。

在幫助人們認(rèn)識(shí)世界本質(zhì)這方面，日全食也起到了舉足輕重的作用。1905年，愛(ài)因斯坦提出了相對(duì)論。根據(jù)相對(duì)論的描述，引力能夠使光線彎曲，只是這個(gè)彎曲幅度非常小，只有光線經(jīng)過(guò)足夠大質(zhì)量的天體時(shí)才能夠被觀測(cè)到。受限于當(dāng)時(shí)的觀測(cè)技術(shù)，太陽(yáng)是人們能夠精確觀測(cè)到的最大質(zhì)量天體，通過(guò)觀測(cè)太陽(yáng)所在位置背景的星光偏移，就可以驗(yàn)證相對(duì)論是否正確。但想要觀測(cè)太陽(yáng)旁邊的星星，只有在日全食發(fā)生之時(shí)才有可能。1915年，愛(ài)因斯坦又提出了廣義相對(duì)論，預(yù)測(cè)太陽(yáng)周圍的星光受到太陽(yáng)引力的影響，將會(huì)偏移1.74弧秒。在4年后的1919年5月29日，發(fā)生了一場(chǎng)橫跨南半球中緯度地區(qū)的日全食，且太陽(yáng)所在的方位正好處于畢宿星團(tuán)旁，十分易于觀測(cè)。英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)派出兩組隊(duì)伍，在巴西的索布拉爾和西非的普林西比島進(jìn)行觀測(cè)，最終觀測(cè)結(jié)果分別為1.98弧秒和1.61弧秒，廣義相對(duì)論因此得到驗(yàn)證，進(jìn)而奠定了現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)。

到了現(xiàn)代社會(huì)，日全食可以幫助人們研究大氣電離層的一些特性。電離層是受太陽(yáng)輻射和宇宙射線的激勵(lì)而處于電離狀態(tài)的地球大氣高層，作為一種傳播介質(zhì)能夠使電波受折射、反射、散射并被吸收而損失部分能量于傳播介質(zhì)中，科學(xué)家利用這些特性幫助人們進(jìn)行無(wú)線電通信。電離層的厚度與太陽(yáng)輻射量直接相關(guān)，而日全食相當(dāng)于直接遮擋住了絕大部分太陽(yáng)輻射，因此可以在日食期間研究太陽(yáng)輻射對(duì)大氣電離層帶來(lái)的一系列影響。

隨著現(xiàn)代科技的日益發(fā)展，科學(xué)觀測(cè)手段的極大豐富，日全食已經(jīng)不再是人們了解和認(rèn)識(shí)宇宙的主要工具，但作為天文學(xué)中最引人注目的天象之一，它可以吸引大多數(shù)人的關(guān)注，從而更好地推廣天文學(xué)的知識(shí)和理念，提高大眾尤其是青少年的科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)文化水平。

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