#1

運(yùn)動(dòng)中的月亮

上個(gè)月底的夜空迎來(lái)了一位特殊嘉賓—草莓月亮。

圖源：網(wǎng)絡(luò)

哦不對(duì)，是這張。

圖源：網(wǎng)絡(luò)

“草莓月亮”雖然含有“草莓”，但并不是指月亮的外形像草莓，而是人們認(rèn)為，夏季第一個(gè)滿月到來(lái)的時(shí)候，是收獲成熟草莓的日子。

這種由月球、地球的相對(duì)位置產(chǎn)生的絢麗景象還有很多，比如超級(jí)血月、月相和日（月）食。

左：超級(jí)血月 中：月相 右：月食（圖源NASA）

對(duì)于日食，想必大家并不陌生，日食以其短暫卻絢爛絕妙的演出，吸引著成千上萬(wàn)的天文、攝影愛好者和普通民眾的目光。日食又分為日偏食、日環(huán)食和日全食。

日全食是最為神秘且迷人的一種，每一次日全食的到來(lái)不僅是一場(chǎng)視覺盛宴，更是一場(chǎng)科研工作者的科學(xué)大餐！小編今天就帶大家了解一下日全食。

絢麗的日全食（圖源：MrEclipse網(wǎng)站）

#2

神秘且完美的月球

日食出現(xiàn)在當(dāng)行星、衛(wèi)星和太陽(yáng)排列在同一個(gè)平面時(shí)，恰好衛(wèi)星處于行星和太陽(yáng)之間，衛(wèi)星阻擋了太陽(yáng)入射的光。所以日食的發(fā)生具有不確定性，且同一地點(diǎn)觀測(cè)到日食的時(shí)間間隔很長(zhǎng)，這使得日食具有時(shí)間神秘性。

但更加神秘的是，在太陽(yáng)系中，地球就處在日全食劇目的“最佳觀影區(qū)”。

為什么說(shuō)地球是“最佳觀影區(qū)”呢？是因?yàn)榈厍虿⒎翘?yáng)系中唯一能夠欣賞日食或月食的行星，但卻是欣賞日全食的最佳位置，日全食可以完全遮擋住太陽(yáng)。我們拿火星來(lái)舉例，下圖是好奇號(hào)火星車拍攝到的火星日食景象。

火星日食（圖源：NASA）

上面的動(dòng)圖顯示的就是火星的衛(wèi)星火衛(wèi)一（Phobos）經(jīng)過(guò)太陽(yáng)面時(shí)的景象?；鹦l(wèi)一飛快地掠過(guò)了太陽(yáng)，留下了一個(gè)不規(guī)則的黑影。但由于火星一太小了，它不能完全擋住太陽(yáng)。因此火星上看到的只是日偏食或者是日環(huán)食：

地球的日全食（圖源：NASA）

我們?cè)诘孛嫔峡梢孕蕾p到日全食，要多虧月球完美的大小和相對(duì)距離。太陽(yáng)直徑大約是月球直徑的400倍，太陽(yáng)到地球的距離差不多也是月球到地球距離的400倍。因此我們從地球上看，天上的太陽(yáng)和月亮幾乎是一樣大的。這樣當(dāng)月球運(yùn)行到地球和太陽(yáng)中間時(shí)，它就會(huì)完全擋住太陽(yáng)。我們?cè)诘厍蛏暇涂梢钥吹綁延^的日全食景象。

#3

揭開神秘的面紗，

日全食令科學(xué)家著迷

一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家們已經(jīng)利用日全食得到了很多突破性成果，比如：破譯太陽(yáng)的結(jié)構(gòu)和爆炸事件，為愛因斯坦的廣義相對(duì)論提供了有力證據(jù)，甚至還發(fā)現(xiàn)一種新元素——氦，等等。直到現(xiàn)在，每一次日全食的到來(lái)，也都會(huì)令科學(xué)家深深的著迷。

接下來(lái)小編就帶大家分別看看，日全食的過(guò)程中，在太陽(yáng)、地球方面的一些研究?jī)?nèi)容。

在太陽(yáng)物理方面：

日全食期間可以很好的觀測(cè)到被太陽(yáng)光照遮掩的太陽(yáng)最外層大氣——日冕。因?yàn)樵谌杖硶r(shí)，月亮擋住了太陽(yáng)大部分的面積，太陽(yáng)周圍黯淡的日冕顯現(xiàn)出來(lái)，我們就可以對(duì)日冕進(jìn)行直接觀測(cè)。

日全食下觀測(cè)到的日冕，不同顏色代表不同溫度（圖源：NASA）

為什么要觀測(cè)日冕呢？

是因?yàn)槿彰崾翘?yáng)活動(dòng)的重要發(fā)生區(qū)域，而太陽(yáng)的種種活動(dòng)都會(huì)強(qiáng)烈地影響地球上的生命繁衍、通信導(dǎo)航、氣象氣候等。因此，研究日冕的結(jié)構(gòu)、演化、物理機(jī)制，是空間物理研究的重要內(nèi)容。比如由《Science》在2012年評(píng)選出當(dāng)代天文學(xué)的八大未解之謎之一中，就包含違背熱力學(xué)第二原理的日冕加熱問(wèn)題。這個(gè)謎團(tuán)目前也是國(guó)際的研究熱點(diǎn)。

但由于日全食出現(xiàn)的神秘性，科學(xué)家就借助日全食的原理設(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(yáng)中間，制造出日全食的效果。這樣我們就可以通過(guò)日冕儀持續(xù)觀測(cè)太陽(yáng)周圍日冕等區(qū)域。

下面是可見光日冕儀SOHO觀測(cè)到的日冕物質(zhì)拋射現(xiàn)象。圖片中的中間實(shí)心圓是日冕儀遮擋的明亮部分，白色空心圓對(duì)應(yīng)太陽(yáng)日面的大小。

SOHO探測(cè)器的日冕儀拍攝到日冕物質(zhì)拋射現(xiàn)象（圖源：NASA）

日冕物質(zhì)拋射（CME）是太陽(yáng)大氣中劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象，一般2~4天會(huì)到達(dá)地球，也是影響空間天氣的重要因素，如果鬧起脾氣來(lái)會(huì)對(duì)地球造成非常嚴(yán)重的影響。因此，加強(qiáng)對(duì)日冕的研究和監(jiān)測(cè)具有極其重要的意義！

在地球大氣（電離層）中：

我們不僅可以利用日全食研究太陽(yáng)，也可以研究地球。在日全食到達(dá)時(shí)，月球會(huì)遮擋住太陽(yáng)，導(dǎo)致到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射降低。下圖是2017年美國(guó)日全食期間到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射量。

2017年美國(guó)大日食到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射量（圖源：NASA）

我們知道太陽(yáng)輻射和地球大氣之間是息息相關(guān)的。在地球大氣大約60-1000公里區(qū)域內(nèi)，中性氣體分子會(huì)因太陽(yáng)輻射等的作用被部分電離，形成導(dǎo)電的電離層。太陽(yáng)輻射還會(huì)影響電離層電子的產(chǎn)生率，例如電離層會(huì)受到太陽(yáng)輻射的影響，在白天和夜晚產(chǎn)生不同的分層結(jié)構(gòu)。

電離層受太陽(yáng)輻射出現(xiàn)不同的日夜分層（圖源：維基百科）

在白天，太陽(yáng)輻射大，電離層分為D層、E層、F1層和F2層，整體電子密度高；夜間由于太陽(yáng)輻射消失，電子產(chǎn)生率下降，就會(huì)導(dǎo)致整體電子濃度下降，只存在E層和F層。

日全食陰影區(qū)進(jìn)入夜間狀態(tài)（圖源：NASA）

日全食某種程度上就像一次快速的日落日出，日食陰影區(qū)電離層光電離突然停止，電離層電子密度會(huì)顯著下降，同時(shí)也會(huì)影響電子溫度等。所以日全食的出現(xiàn)，也提供了一個(gè)在特殊情況下研究太陽(yáng)輻射對(duì)地球大氣層影響的機(jī)會(huì)。

我們可以通過(guò)多種手段來(lái)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掩星等。通過(guò)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(guò)大尺度重力波向全球范圍傳播。還有一些影響會(huì)通過(guò)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)。日全食對(duì)地球的作用不再是一個(gè)局部作用，而會(huì)產(chǎn)生“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的效果。

#4

“天狗食日”no！

科學(xué)盛宴 Yes！

我國(guó)也是最早有日食記錄的國(guó)家。但在古代，由于當(dāng)時(shí)還沒有認(rèn)識(shí)日食自然規(guī)律，人們將日食視為不吉祥的征兆。比如在夏代仲康時(shí)期《尚書》中提到“乃季秋月朔，辰弗集于房，瞽奏鼓，嗇夫馳，遮人走”中，描述的就是日食期間人們驚慌失措，鳴鼓奔走的情況。

張仙為保護(hù)孩子用弓箭射天狗（清代畫）

圖源：網(wǎng)絡(luò)

隨著我們科學(xué)技術(shù)、探測(cè)手段的不斷發(fā)展，我們也在慢慢揭開“天狗食日”的神秘面紗?，F(xiàn)在日食也不僅僅是壯美的自然景象，更是解決科學(xué)難題的有效方法。

讓我們一起期待下次日全食的到來(lái)?。╬s：我國(guó)境內(nèi)大范圍可見的日全食要到2035年了），具體日全食過(guò)境可以參考下圖（來(lái)源見圖片下方）。

2035年中國(guó)境內(nèi)日全食模擬

參考文獻(xiàn)

1.https://moon.nasa.gov/moon-in-motion/eclipses/

2.https://eclipse2017.nasa.gov/

3.https://www.nasa.gov/eclipse

4.夏至約你看“金邊日食”－遮天蔽日的空間天氣效應(yīng)。微信公眾號(hào)“石頭科普工作室”

5.Zhang S.-R., Erickson, P. J., Goncharenko, L. P., Coster, A. J., and Frissell, N. A. (2017). Monitoring the geospace response to the Great American Solar Eclipse on 21 August 2017. Earth Planet. Phys., 1, 72–76. http://doi.org/10.26464/epp2017011

美編：朱文瀟

校對(duì)：李玉鈐

來(lái)源：中科院地質(zhì)地球所

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