日食科普:其实没什么了不起的。

文章作者:lili | 2017-08-22
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昨天晚上外星探索的小编安然入睡,没有上网看日食直播。因为以专门关注宇宙,编辑天文现象的小编而言:全食,也许是最为大众熟知的天文现象,不足为奇。而且很容易被观测到。本站用一个动态图为大家展示其全过程:

就是这样一个自然现象,本站昨天文章也表态:不围观。同时昨天的文章彩蛋中我们还介绍,搞不好可能瞎(链接)。美国的观看日食是眼镜等设备都脱销了,网络上的产品又鱼龙混杂。搞不好真的有人因此瞎了……我们还是继续给大家科普吧——

日全食(图片来自网络)日全食

  当月球处于地球和太阳之间时,在地球上的一部分区域中,太阳耀眼的光芒会被暂时遮挡,白天和黑夜将在几分钟的时间里交替出现。

  美国当地时间8月21日,一场日全食光顾美国。从美国西海岸的俄勒冈州到东海岸的南卡罗莱纳州,日全食沿着一条宽度约为110公里的日食带,横跨美国的14个州。

  在不清楚日食成因的年代,“天狗吃太阳”的传说会让人们在日全食出现时惊慌失措。而今,日全食已经变成了一场全民天文盛宴。

  美国人民早早地就采购装备、计划旅行,希望能够亲眼目睹这一世纪奇观。美国交通部甚至要提前谋划日食期间的交通疏导措施,避免扎堆观看日食的车辆造成全国范围的大堵车。

图:日食带过境美国的示意图,红线之内的区域都能一睹日全食的奇观图:日食带过境美国的示意图,红线之内的区域都能一睹日全食的奇观

  日冕——太阳风暴的“策源地”

  我们平常在天空中看到的太阳耀眼的光芒,大部分都来自于太阳的光球层。这里也是我们定义的太阳表面。在光球层之上,还存在着一个名叫“日冕”的区域。这里,是太阳风暴的“策源地”。

  当太阳风暴爆发时,大量的磁场能量像核弹爆炸一样,在短时间内集中释放,转化成太阳风暴向太空中奔袭的动能。美丽绚烂的极光,就是太阳风暴吹袭地球时带来的“礼物”。

  但与此同时,太阳风暴更会对与人类生活息息相关的领域产生严重的影响。

  例如,太阳风暴中的高能粒子可以让卫星上的计算机死机甚至彻底瘫痪。

太阳风暴(图片来自网络)太阳风暴

  太阳风暴引起的地球高层大气加热会加剧天宫二号、天舟一号等近地飞行器轨道上的大气阻力,飞行器将不得不耗费更多燃料维持轨道。

  太阳风暴引起的地球磁场变化,会在地面上的高压电网中产生强大的异常电流,造成大面积停电。

  太阳风暴引起的电离层扰动将会对我们导航定位的GPS信号产生干扰,也会让船舶、飞机依赖的长距离无线电通信受到影响。

  图:夏威夷大学的研究者于2015年在北极拍摄的日食的图片,向四周延伸的结构即为日冕,日冕底部还能看到由于月球地形而形成的贝利珠

  从日食中开始的日冕研究

  要想弄清楚太阳的“脾气”,预知太阳风暴的爆发,减轻太阳风暴对我们的影响,就要对日冕进行细致的观察和研究。然而,平日里,日冕被太阳光球耀眼的光芒所遮挡,难以进行有效的观测。

  日全食发生时,由于月球对光球的遮挡,平日里暗淡的日冕便会出现在太阳周围,使人们能够一睹它的真容。

  在日冕仪出现之前,日全食是科学家们进行日冕研究观测的主要时机。

  1860年,天文学家坦普尔来到西班牙观测一次日全食。

  与其他日全食期间的观测记录相比,坦普尔的记录显得十分特别,因为日冕附近出现了一个少见的圆环状结构。

  当今天研究者们对太阳风暴爆发时的形态有了深入的认识后,坦普尔的这次观测被普遍认为是,人类历史上首次亲眼捕捉到了太阳风暴的踪迹。

图:2003年SOHO飞船上的日冕仪拍摄到的日冕物质抛射图像图:2003年SOHO飞船上的日冕仪拍摄到的日冕物质抛射图像

图:1860年的日食观测,右下角的环状结构被认为是最早的日冕物质抛射观测图:1860年的日食观测,右下角的环状结构被认为是最早的日冕物质抛射观测

  而在1879年的一次日食观测中,美国天文学家查尔斯·杨怀着却被太阳坑了一把。

  他在日冕中找到了一种“新”的元素,其光谱发射线是之前从未见到过的。这种元素被命名为“coronium”,即日冕的英文单词“corona”和表示金属元素的词根“ium”的组合。

  在之后60年的时间里,不少科学家对“coronium”的性质做了研究和推测,但最终忧伤地发现,这是太阳跟人类开的一个玩笑。

  其实,它并非一种真实存在的元素,那种从未见过的光谱发射线,实际上是高度电离的13价铁离子发出的。

  在地球上,我们常见的铁离子一般为2价或3价,即铁原子失去了2-3个电子。而日冕上的铁离子竟然被生吞活剥地弄走了13个电子!这意味着那里的温度高达数百万度。

  这是一个与我们的常识相悖的发现

  如果你在野外撑起烤箱,准备进行一次开心的烧烤时,你肯定会把要烧烤的食材尽可能得靠近烤箱上的木炭,因为距离热源越近温度越高,食物就能获得更好的加热效果。

  太阳最靠里的区域中,核聚变反应像烤箱里烧红的木炭一样,产出了太阳发射的几乎全部能量,温度高达数千万度。从那里到太阳表面的光球,温度逐渐降低到数千度。

  然而在光球以上,奇怪的事情发生了:

  随着距离的增加,温度非但没有降低,反而从光球的几千度急剧的增高到了日冕的数百万度。

图:日冕加热(图片来自网络)图:日冕加热(图片来自网络)

  这种现象不会平白无故的发生,日冕一定是从什么地方获取了温度增加的能量。

  空间物理学界提出了“波动理论”和“磁重联理论”来解释日冕加热的过程。然而,这两种理论都不完备,都只能解释一部分观测现象。

  不可替代的观测良机

  现在,我们已经可以通过日冕仪来制造人工日食,进行常规性的日冕观测,而不用苦苦等待下一次日全食的到来。在我们监测太阳的SOHO飞船、STEREO飞船上,都装备了这种仪器。

图:SOHO飞船发布在网站上的实时日冕观测图:SOHO飞船发布在网站上的实时日冕观测

  但日冕仪有着固有的缺陷:

  为了不至于让太阳的强光烧毁敏感的探测器,日冕仪的遮挡的范围要比太阳光球大一些。

图:SOHO飞船使用的LASCO日冕仪图:SOHO飞船使用的LASCO日冕仪

  如果我们将太阳中心到光球表面的距离定义为1个太阳半径的话,SOHO飞船最低能够观测到1.1个太阳半径,STEREO飞船最低能够观测到1.3个太阳半径。

  这让从太阳表面到1.1个太阳半径的区域成为了“日冕仪盲区”。

  而这个盲区,恰好又是日冕加热过程发生的关键区域。只有获得了关于这个区域的观测数据,才有希望解开日冕加热机制的谜团。

图:SOHO飞船拍摄的日冕图像,图中有一片纯蓝色的区域,就是没有数据的日冕仪观测盲区图:SOHO飞船拍摄的日冕图像,图中有一片纯蓝色的区域,就是没有数据的日冕仪观测盲区

  日全食发生时,存在一个有趣的巧合:

  太阳的半径大约是月球的400倍,而太阳到月球的距离也恰好约是月球到地球距离的400倍。因此,月球遮挡的范围几乎精确的等于1个太阳半径,而没有往外扩展。

  这使得科学家们获得了“日冕仪盲区”难得的观测机会。

  相比于卫星观测,日食期间的地面观测还具有观测分辨率更高的优势,将会对我们建立更精确的日冕大气模型提供依据,从而能更好的预测太阳风暴的产生。

  超级日全食——全民参与,科学相伴

  早在此次美国的日食到来之前,美国的研究者们就已经做好了充足的准备。除了常规性的地面观测外,他们还动用了一架湾流V型喷气式飞机,飞到万米高空,来观测到被大气层阻隔的红外信号。

  科学家们还动员遍布全美的业余天文爱好者,通过“美洲大陆公民望远镜日食”(CATE)项目提交它们拍摄到的日食照片,让科学家们能够综合掌握日冕在日食随时间变化的情况。

用来观测日是的湾流V型喷气式飞机,也许是最酷的观测平台了!用来观测日是的湾流V型喷气式飞机,也许是最酷的观测平台了!

  既有全民参与的热情,又有前沿科学的产出,日全食观测也许是完美的科学研究活动形态的一个范本。

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