科学家：我有特殊的“看”日食技巧

　　作者：李会超（ 中国科学院国家空间科学中心）

日全食（图片来自网络）

　　日全食，也许是最为大众熟知的天文现象。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

　　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：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）

　　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

　　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

　　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

　　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！

　　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。