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大龍離心機【科技在線】 日全食(圖片來自互聯(lián)網) 日全食，也許是為大眾熟知的天文現(xiàn)象。當月球處于地球和太陽之間時，在地球上的一部分區(qū)域中，太陽耀眼的光芒會被暫時遮擋，白天和黑夜將在幾分鐘的時間里交替出現(xiàn)。 美國當?shù)貢r間8月21日，一場日全食光顧美國。從美國西海岸的俄勒岡州到東海岸的南卡羅萊納州，日全食沿著一條寬度約為110公里的日食帶，橫跨美國的14個州。 在不清楚日食成因的年代， 天狗吃太陽 的傳說會讓人們在日全食出現(xiàn)時驚慌失措。而今，日全食已經變成了一場全民天文盛宴。 美國人民早早地就采購裝備、計劃旅行，希望能夠親眼目睹這一世紀奇觀。美國交通部甚至要提前謀劃日食期間的交通疏導措施，不使扎堆觀看日食的車輛造成全國范圍的大堵車。 圖：日食帶過境美國的示意圖，紅線之內的區(qū)域都可以一睹日全食的奇觀 日冕 太陽風暴的 策源地 我們平常在天空中看到的太陽耀眼的光芒，大部分都來自于太陽的光球層。這里也是我們定義的太陽表面。在光球層之上，還存在著一個名叫 日冕 的區(qū)域。這里，是太陽風暴的 策源地 。 當太陽風暴爆發(fā)時，大量的磁場能量像核彈爆炸一樣，在短時間內集中釋放，轉化成太陽風暴向太空中奔襲的動能。美麗絢爛的極光，就是太陽風暴吹襲地球時帶來的 禮物 。 但與此并且，太陽風暴更會對與人類生活息息關聯(lián)的行業(yè)產生嚴重的影響。 例如，太陽風暴中的高能粒子可以讓衛(wèi)星上的計算機死機甚至徹底癱瘓。 太陽風暴(圖片來自互聯(lián)網) 太陽風暴引發(fā)的地球高層大氣加熱會加劇天宮二號、天舟一號等近地飛行器軌道上的大氣阻力，飛行器將不得不耗費越來越多燃料維持軌道。 太陽風暴引發(fā)的地球磁場變化，會在地面上的高壓電網中產生強大的異常電流，造成大面積停電。 太陽風暴引發(fā)的電離層擾動將會對我們導航定位的gps信號產生干擾，也會讓船舶、飛機依靠的長距離無線電通信受到影響。

照片:夏威夷大學的研究者去年在北極拍攝的日食照片。 向周圍延伸的構造是冠狀病毒，在冠狀病毒底部還可以看到由月球地形形成的伯利茲珠

從日食中開始的日冕研究 要想弄清楚太陽的 脾氣 ，預知太陽風暴的爆發(fā)，減輕太陽風暴對我們的影響，就要對日冕進行細致的注意和研究。然而，平日里，日冕被太陽光球耀眼的光芒所遮擋，難以進行比較有效的觀測。 日全食發(fā)生時，由于月球對光球的遮擋，平日里暗淡的日冕便會出現(xiàn)在太陽周圍，使人們能夠一睹它的真容。 在日冕儀出現(xiàn)之前，日全食是科學家們進行日冕研究觀測的首要時機。 1860年，天文學家坦普爾來到西班牙觀測一次日全食。 與其他日全食期間的觀測記錄相比，坦普爾的記錄顯得十分特別，因為日冕附近出現(xiàn)了一個少見的圓環(huán)狀結構。 當今天研究者們對太陽風暴爆發(fā)時的形態(tài)有了深入的認知后，坦普爾的這次觀測被普遍認為是，人類歷史上親眼捕捉到了太陽風暴的蹤跡。 圖：2003年soho飛船上的日冕儀拍攝到的日冕物質拋射圖像 圖：1860年的日食觀測，右下角的環(huán)狀結構被認為是早的日冕物質拋射觀測 而在1879年的一次日食觀測中，美國天文學家查爾斯 楊懷著卻被太陽坑了一把。 他在日冕中找到了一種 新 的元素，其光譜發(fā)射線是之前從未見到過的。這種元素被命名為 coronium ，即日冕的英文單詞 corona 和表示金屬元素的詞根 ium 的組合。 在之后60年的時間里，不少科學家對 coronium 的性質做了研究和推測，但終憂傷地發(fā)現(xiàn)，這是太陽跟人類開的一個玩笑。 其實，它并非一種真實存在的元素，那種從未見過的光譜發(fā)射線，實際上是高度電離的13價鐵離子發(fā)出的。 在地球上，我們常見的鐵離子通常為2價或3價，即鐵原子失去了2-3個電子。而日冕上的鐵離子竟然被生吞活剝地弄走了13個電子!這意味著那里的溫度高達數(shù)百萬度。 這是一個與我們的常識相悖的發(fā)現(xiàn)。 如果你在野外撐起烤箱，準備進行一次開心的燒烤時，你肯定會把要燒烤的食材盡量得靠近烤箱上的木炭，因為距離熱源越近溫度越高，食物就能獲得更好的加熱效果。 太陽靠里的區(qū)域中，核聚變反應像烤箱里燒紅的木炭一樣，產出了太陽發(fā)射的幾乎所有能量，溫度高達數(shù)成千上萬度。從那里到太陽表面的光球，溫度逐漸降低到數(shù)千度。 然而在光球以上，奇怪的事件發(fā)生了： 隨著距離的增加，溫度非但沒有降低，反而從光球的幾千度急劇的增高到了日冕的數(shù)百萬度。 圖：日冕加熱(圖片來自互聯(lián)網) 這種現(xiàn)象不會平白無故的發(fā)生，日冕一定是從什么地方獲取了溫度增加的能量。 空間物理學界提出了 波動理論 和 磁重聯(lián)理論 來解釋日冕加熱的過程。然而，這兩種理論都不完備，都只能解釋一部分觀測現(xiàn)象。 不能代替的觀測良機 現(xiàn)在，我們已經可以通過日冕儀來制造人工日食，進行常規(guī)性的日冕觀測，而不用苦苦等待下一次日全食的到來。在我們監(jiān)測太陽的soho飛船、stereo飛船上，都裝備了這種儀器。 圖：soho飛船發(fā)布在網站上的實時日冕觀測 但日冕儀有著固有的缺陷： 為了不至于讓太陽的強光燒毀敏感的探測器，日冕儀的遮擋的范圍要比太陽光球大一點。 圖：soho飛船采用的lasco日冕儀 如果我們將太陽中心到光球表面的距離定義為1個太陽半徑的話，soho飛船低能夠觀測到1.1個太陽半徑，stereo飛船低能夠觀測到1.3個太陽半徑。 這讓從太陽表面到1.1個太陽半徑的區(qū)域成為了 日冕儀盲區(qū) 。 而這個盲區(qū)，恰好又是日冕加熱過程發(fā)生的關鍵區(qū)域。只有獲得了關于這個區(qū)域的觀測數(shù)據(jù)，才有希望解開日冕加熱機制的謎團。 圖：soho飛船拍攝的日冕圖像，圖中有一片純藍色的區(qū)域，就是沒有數(shù)據(jù)的日冕儀觀測盲區(qū) 日全食發(fā)生時，存在一個興趣的巧合： 太陽的半徑大約是月球的400倍，而太陽到月球的距離也恰好約是月球到地球距離的400倍。因為此，月球遮擋的范圍幾乎的等于1個太陽半徑，而沒有往外擴展。 這使得科學家們獲得了 日冕儀盲區(qū) 難得的觀測機會。 相比于衛(wèi)星觀測，日食期間的地面觀測還具有觀測分辨率更高的特點，將會對我們樹立更的日冕大氣模型提供依據(jù)，從而能更好的預測太陽風暴的產生。 超級日全食 全民參與，科學相伴 早在此次美國的日食到來之前，美國的研究者們就已經做好了充足的準備。除了常規(guī)性的地面觀測外，他們還動用了一架灣流v型噴氣式飛機，飛到萬米高空，來觀測到被大氣層阻隔的紅外信號。 科學家們還動員遍布全美的業(yè)余天文愛好者，通過 美洲大陸公民望遠鏡日食 (cate)項目提交它們拍攝到的日食照片，讓科學家們能夠綜合掌握日冕在日食隨時間變化的情況。

用于觀測日的灣流v型噴氣式飛機，可能是個很酷的觀測平臺！ 有全民參與的熱情和前沿科學的產出，日全食觀測可能是完美的科學研究活動形態(tài)之一的典范。