#1

運動中的月亮

上個月底的夜空迎來了一位特殊嘉賓—草莓月亮。

圖源：網(wǎng)絡

哦不對，是這張。

圖源：網(wǎng)絡

“草莓月亮”雖然含有“草莓”，但并不是指月亮的外形像草莓，而是人們認為，夏季第一個滿月到來的時候，是收獲成熟草莓的日子。

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

左：超級血月 中：月相 右：月食（圖源NASA）

對于日食，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不僅是一場視覺盛宴，更是一場科研工作者的科學大餐！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)在當行星、衛(wèi)星和太陽排列在同一個平面時，恰好衛(wèi)星處于行星和太陽之間，衛(wèi)星阻擋了太陽入射的光。所以日食的發(fā)生具有不確定性，且同一地點觀測到日食的時間間隔很長，這使得日食具有時間神秘性。

但更加神秘的是，在太陽系中，地球就處在日全食劇目的“最佳觀影區(qū)”。

為什么說地球是“最佳觀影區(qū)”呢？是因為地球并非太陽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。我們拿火星來舉例，下圖是好奇號火星車拍攝到的火星日食景象。

火星日食（圖源：NASA）

上面的動圖顯示的就是火星的衛(wèi)星火衛(wèi)一（Phobos）經(jīng)過太陽面時的景象?；鹦l(wèi)一飛快地掠過了太陽，留下了一個不規(guī)則的黑影。但由于火星一太小了，它不能完全擋住太陽。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）

我們在地面上可以欣賞到日全食，要多虧月球完美的大小和相對距離。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。因此我們從地球上看，天上的太陽和月亮幾乎是一樣大的。這樣當月球運行到地球和太陽中間時，它就會完全擋住太陽。我們在地球上就可以看到壯觀的日全食景象。

#3

揭開神秘的面紗，

日全食令科學家著迷

一個多世紀以來，科學家們已經(jīng)利用日全食得到了很多突破性成果，比如：破譯太陽的結構和爆炸事件，為愛因斯坦的廣義相對論提供了有力證據(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，也都會令科學家深深的著迷。

接下來小編就帶大家分別看看，日全食的過程中，在太陽、地球方面的一些研究內容。

在太陽物理方面：

日全食期間可以很好的觀測到被太陽光照遮掩的太陽最外層大氣——日冕。因為在日全食時，月亮擋住了太陽大部分的面積，太陽周圍黯淡的日冕顯現(xiàn)出來，我們就可以對日冕進行直接觀測。

日全食下觀測到的日冕，不同顏色代表不同溫度（圖源：NASA）

為什么要觀測日冕呢？

是因為日冕是太陽活動的重要發(fā)生區(qū)域，而太陽的種種活動都會強烈地影響地球上的生命繁衍、通信導航、氣象氣候等。因此，研究日冕的結構、演化、物理機制，是空間物理研究的重要內容。比如由《Science》在2012年評選出當代天文學的八大未解之謎之一中，就包含違背熱力學第二原理的日冕加熱問題。這個謎團目前也是國際的研究熱點。

但由于日全食出現(xiàn)的神秘性，科學家就借助日全食的原理設計了“人造日全食”——日冕儀。日冕儀就是選用合適的濾光片充當“月球”擋在望遠鏡和太陽中間，制造出日全食的效果。這樣我們就可以通過日冕儀持續(xù)觀測太陽周圍日冕等區(qū)域。

下面是可見光日冕儀SOHO觀測到的日冕物質拋射現(xiàn)象。圖片中的中間實心圓是日冕儀遮擋的明亮部分，白色空心圓對應太陽日面的大小。

SOHO探測器的日冕儀拍攝到日冕物質拋射現(xiàn)象（圖源：NASA）

日冕物質拋射（CME）是太陽大氣中劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象，一般2~4天會到達地球，也是影響空間天氣的重要因素，如果鬧起脾氣來會對地球造成非常嚴重的影響。因此，加強對日冕的研究和監(jiān)測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，也可以研究地球。在日全食到達時，月球會遮擋住太陽，導致到達地面的太陽輻射降低。下圖是2017年美國日全食期間到達地面的太陽輻射量。

2017年美國大日食到達地面的太陽輻射量（圖源：NASA）

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

電離層受太陽輻射出現(xiàn)不同的日夜分層（圖源：維基百科）

在白天，太陽輻射大，電離層分為D層、E層、F1層和F2層，整體電子密度高；夜間由于太陽輻射消失，電子產(chǎn)生率下降，就會導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，電離層電子密度會顯著下降，同時也會影響電子溫度等。所以日全食的出現(xiàn)，也提供了一個在特殊情況下研究太陽輻射對地球大氣層影響的機會。

我們可以通過多種手段來測量電離層對日全食的響應，例如電離層測高儀、非相干散射雷達、GNSS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)，還會通過大尺度重力波向全球范圍傳播。還有一些影響會通過熱層大氣環(huán)流沿磁力線運輸，產(chǎn)生電離層的共軛響應。日全食對地球的作用不再是一個局部作用，而會產(chǎn)生“牽一發(fā)而動全身”的效果。

#4

“天狗食日”no！

科學盛宴 Yes！

我國也是最早有日食記錄的國家。但在古代，由于當時還沒有認識日食自然規(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。

張仙為保護孩子用弓箭射天狗（清代畫）

圖源：網(wǎng)絡

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

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

2035年中國境內日全食模擬

參考文獻

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。微信公眾號“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：李玉鈐

來源：中科院地質地球所

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