2024.4.8 北美日全食期間的日面與日珥 (Credit: Sumeet Kulkarni/Nature)

2024年4月8日（北京時間4月9日凌晨），“天狗食日”的天文奇觀在全球上演！美國、墨西哥和加拿大等北美國家的多個城市都能陸續觀測到日全食。今年的日全食僅此一次，其震撼人心的景觀無疑為我們帶來了一場宇宙級的視覺盛宴！

2024年4月8日拍攝到的日全食照片（圖片源自NASA）

1、什么是日食？

“天狗食日”的說法源于中國的古老傳說，它描述了天空中出現的一種奇異現象——日全食。在古代，當日全食發生時，太陽逐漸被遮擋，天空逐漸暗淡，最終陷入一片黑暗。《尚書·夏書·胤征篇》中便有這樣的記載：“乃季秋月朔，辰弗集于房，瞽奏鼓，嗇夫馳，庶人走。”這段文字生動地描繪了當時人們面對日食的恐慌場景：樂官擊鼓試圖嚇走傳說中的天狗，百姓們慌亂地四處奔散。

隨著自然科學的發展，人們逐漸認識到，日食其實是一種正常的天文現象。當月球運動到太陽和地球中間時，月球擋住了太陽射向地球的光。從地球上望去，太陽會顯得不完整，甚至完全被遮擋，天空就因此變得昏暗，但這個過程一般只會持續幾分鐘。

2024年4月8日日全食過程合成圖片（圖片源自NASA）

2、日食的成因及分類

根據幾何光學的相關性質，光線在均勻介質中沿直線傳播。結合生活常識，如果有一個物體擋住了由光源發出的光線，而光線只能直線傳播無法繞開物體，物體背面那側就會形成陰影，也就是我們常說的影子。從陰影中朝著光源方向看去，就會發現光源被物體遮擋。同理，當月球運動到太陽和地球中間，在地球上位于月球影子中的人們無法看到完整的太陽，這就是所謂的日食現象。

眾所周知，地球繞著太陽轉，月球繞著地球轉。地球的公轉周期為一年，月球的公轉周期約為一個月。月球的每一次公轉都應該會運動到太陽和地球之間，那為什么不是每個月都會發生日食呢？從圖3示意圖中我們可以看到，地球公轉所在的平面（即黃道面）與月球公轉的平面（即白道面）并不是重合的，而是存在約為5°的夾角。這個夾角的存在使得日食的出現更加苛刻，只有當月球運動到其軌道與黃道面的交點，且這個交點要恰好在日地連線上時才會出現日食。


圖3 黃道面和白道面示意圖（圖片源自網絡）

日食根據其形態可以分為日偏食、日環食和日全食。要想解釋為什么有這些不同的形態，我們需要從日食的原理出發。

太陽是一個巨大的發光球體，因此我們不能把太陽簡單地看成一個點光源，但我們可以把它看成無數個點光源的集合。如圖4中所示，可以先選取太陽最上方的一個點光源，再做該點光源與月球的兩條切線。這個點光源朝著月球方向發出的所有光線都在這兩條切線之間。而在這片區域中介于地球和月球之間的那部分，會因為月球對光線的阻擋而變成陰影。如果觀察者位于地球上的這個陰影區域內，就將無法看到這個點光源，轉而看到的是太陽上的一個小黑點。

圖4 日食原理示意圖（圖片源自網絡）

顯然，在太陽的最上方到最下方無數個點光源中，隨著點光源位置的變化，各個點光源在地球上對應的陰影范圍也會變化。這些陰影中，存在一個特殊的交匯區域，即所有點光源陰影的重疊部分，那也就意味著在這個區域內是無法看到任何點光源的，我們稱之為“本影”。地球上處于本影區域內的人們將無法看到太陽的任何部分，他們看到的就是日全食。

而對某些區域來說，可能會出現另一種情況，它位于太陽上方點光源的陰影之內，但它同時又在下方點光源的陰影之外，這也就意味著在這些區域之內看不到太陽的上半部分，但是能看到太陽的下半部分。對于這些只能看到部分太陽的區域，我們稱之為半影，半影內看到的就是日偏食。

圖5 2024年4月8日拍攝于美國印第安納州的日偏食（階段）照片（圖片源自NASA）

日環食則是一種更為特殊的日食，它與日全食相比還需要額外的條件。月球與太陽的直徑比約為1:400，地月距離與日地距離的比值恰好也接近這個值。這也就意味著從地球上看，太陽和月球的視覺大小是相當的。而根據開普勒第一定律，天體的公轉軌道其實是一個橢圓。也就是說，月球與地球的距離會時遠時近。當月球離地球較遠時，根據近大遠小的原理，我們看到的月球就會變小。將上述情況應用到日食，如果“變小”的月球不足以遮擋住整個太陽，太陽的邊緣就會像一個金色的光環一樣顯露出來，也就形成了我們所說的日環食。

2010.1.15 在山東大學威海天文臺拍攝的日環食“金環日落”

3、日食現象的科學價值

日食不僅是一種難得一見的天文景觀，給人們帶來視覺上的震撼與享受，還蘊藏著豐富的科學價值。

早在1919年，英國科學家亞瑟·愛丁頓領導了一次日全食的觀測，并通過這次日全食的觀測成功證實了愛因斯坦廣義相對論的正確性。

除了證實科學理論，日食還為太陽大氣的觀測提供了絕佳的機會。太陽大氣由內而外分別是光球層、色球層和日冕。光球層就是通常所說的太陽表面，明亮且活躍。日冕是太陽大氣的最外層，亮度約為光球亮度的百萬分之一，所以在平常的觀測中無法我們直接觀測到日冕。而當日全食發生時，月球完全遮住了光球層，使得我們有機會觀測到平常難以窺見的太陽結構，例如日珥、日冕等。同時我們也能借此機會研究太陽活動的磁場、能量釋放和物質的運動等，進一步了解太陽的結構和運行機制。圖6展示了專業望遠鏡在日全食期間拍攝到的太陽大氣圖像，圖中可以清晰地看到冕流和日珥等結構。


圖6 2016年3月9日拍攝于印度尼西亞的日全食照片（圖片來源Miloslav Druckmu ?ller, http://www.zam.fme.vutbr.cz/~druck/eclipse/Index.htm）

日食現象還啟發了一項重要的科學發明——日冕儀。日冕儀是一種專門用于觀測太陽日冕的天文儀器。在20世紀30年代，法國天文學家伯納德·萊奧特深受日食現象的啟發，他模仿日食期間月球遮擋光球的原理，設計出了能夠遮擋太陽光球的觀測儀器。這一創新使得科學家們能夠在非日食時段也能夠觀測到日冕，極大地拓寬了太陽觀測研究的時間和空間范圍。

日冕儀的發明極大地促進了太陽物理學的發展。這種精密的儀器使我們能夠深入觀測低日冕，為解開日冕加熱和太陽風起源等核心科學問題提供了寶貴的線索。低日冕不僅是日冕物質拋射的發生和加速區域，更是空間天氣學應用領域關注的焦點。通過對其開展持續、精準的監測，我們能夠為空間天氣預測和防范提供關鍵數據，保障衛星運行安全，減少太空探索的風險。隨著科學技術的不斷突破，日冕儀也在不斷創新完善。

令人振奮的是，2023年山東大學空間科學研究院太陽大氣物理與探測課題組成功牽頭研制和建設了我國首臺自研光譜成像日冕儀。這臺儀器的建成標志著我國在日冕觀測領域邁出了堅實的一步。經過嚴格的工藝測試，它成功獲得了首批日冕觀測圖像，數據質量達到了國際一流水平。這一成就不僅彰顯了我國科研實力的提升，更為我們深入探索太陽奧秘、推動太陽物理學和空間天氣學的發展奠定了堅實基礎。

圖7 光譜成像日冕儀的觀測圖像（山東大學空間科學研究院）

結語

通過前面的分析我們了解到，日食的出現需要同時滿足許多條件，而且只有在某些特定的區域才能觀測到日食。遺憾的是，本次日食在我國境內沒有可觀測區域。但好在現代擁有發達的網絡社交媒體，我們仍可以通過網絡媒體一睹日食風采！

此外，也讓我們共同追逐將于2026年（西班牙）、2027年（埃及）及2028年（澳洲）暑期發生，并翹首期待將在2034年與2035年出現在我國的多場精彩日全食奇觀吧！

未來幾年的暑期日全食及觀測地情況圖（圖及數據源自timeanddate，逺才老師編輯制作）

  • 作者：黎俊，山東大學空間科學與物理學院、2023級地球物理專業碩士研究生
  • 科普輪值主編：鄭瑞生（山東大學空間科學研究院教授，山東天文學會太空科學與探測專業委員會委員）
  • 編輯：山東大學空間科學研究院科普團組

來源: 山東天文科普教育