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大龍離心機(jī)【科技在線】 日全食(圖片來自互聯(lián)網(wǎng)) 日全食，也許是為大眾熟知的天文現(xiàn)象。當(dāng)月球處于地球和太陽之間時(shí)，在地球上的一部分區(qū)域中，太陽耀眼的光芒會(huì)被暫時(shí)遮擋，白天和黑夜將在幾分鐘的時(shí)間里交替出現(xiàn)。 美國當(dāng)?shù)貢r(shí)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(gè)州。 在不清楚日食成因的年代， 天狗吃太陽 的傳說會(huì)讓人們?cè)谌杖吵霈F(xiàn)時(shí)驚慌失措。而今，日全食已經(jīng)變成了一場全民天文盛宴。 美國人民早早地就采購裝備、計(jì)劃旅行，希望能夠親眼目睹這一世紀(jì)奇觀。美國交通部甚至要提前謀劃日食期間的交通疏導(dǎo)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(nèi)的區(qū)域都可以一睹日全食的奇觀 日冕 太陽風(fēng)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?qū)?。這里也是我們定義的太陽表面。在光球?qū)又?，還存在著一個(gè)名叫 日冕 的區(qū)域。這里，是太陽風(fēng)暴的 策源地 。 當(dāng)太陽風(fēng)暴爆發(fā)時(shí)，大量的磁場能量像核彈爆炸一樣，在短時(shí)間內(nèi)集中釋放，轉(zhuǎn)化成太陽風(fēng)暴向太空中奔襲的動(dòng)能。美麗絢爛的極光，就是太陽風(fēng)暴吹襲地球時(shí)帶來的 禮物 。 但與此并且，太陽風(fēng)暴更會(huì)對(duì)與人類生活息息關(guān)聯(lián)的行業(yè)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。 例如，太陽風(fēng)暴中的高能粒子可以讓衛(wèi)星上的計(jì)算機(jī)死機(jī)甚至徹底癱瘓。 太陽風(fēng)暴(圖片來自互聯(lián)網(wǎng)) 太陽風(fēng)暴引發(fā)的地球高層大氣加熱會(huì)加劇天宮二號(hào)、天舟一號(hào)等近地飛行器軌道上的大氣阻力，飛行器將不得不耗費(fèi)越來越多燃料維持軌道。 太陽風(fēng)暴引發(fā)的地球磁場變化，會(huì)在地面上的高壓電網(wǎng)中產(chǎn)生強(qiáng)大的異常電流，造成大面積停電。 太陽風(fēng)暴引發(fā)的電離層擾動(dòng)將會(huì)對(duì)我們導(dǎo)航定位的gps信號(hào)產(chǎn)生干擾，也會(huì)讓船舶、飛機(jī)依靠的長距離無線電通信受到影響。

照片:夏威夷大學(xué)的研究者去年在北極拍攝的日食照片。 向周圍延伸的構(gòu)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(yù)知太陽風(fēng)暴的爆發(fā)，減輕太陽風(fēng)暴對(duì)我們的影響，就要對(duì)日冕進(jìn)行細(xì)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(jìn)行比較有效的觀測。 日全食發(fā)生時(shí)，由于月球?qū)馇虻恼趽?，平日里暗淡的日冕便?huì)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(xué)家們進(jìn)行日冕研究觀測的首要時(shí)機(jī)。 1860年，天文學(xué)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?yàn)槿彰岣浇霈F(xiàn)了一個(gè)少見的圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)。 當(dāng)今天研究者們對(duì)太陽風(fēng)暴爆發(fā)時(shí)的形態(tài)有了深入的認(rèn)知后，坦普爾的這次觀測被普遍認(rèn)為是，人類歷史上親眼捕捉到了太陽風(fēng)暴的蹤跡。 圖：2003年soho飛船上的日冕儀拍攝到的日冕物質(zhì)拋射圖像 圖：1860年的日食觀測，右下角的環(huán)狀結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是早的日冕物質(zhì)拋射觀測 而在1879年的一次日食觀測中，美國天文學(xué)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(shí)間里，不少科學(xué)家對(duì) coronium 的性質(zhì)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(gè)玩笑。 其實(shí)，它并非一種真實(shí)存在的元素，那種從未見過的光譜發(fā)射線，實(shí)際上是高度電離的13價(jià)鐵離子發(fā)出的。 在地球上，我們常見的鐵離子通常為2價(jià)或3價(jià)，即鐵原子失去了2-3個(gè)電子。而日冕上的鐵離子竟然被生吞活剝地弄走了13個(gè)電子!這意味著那里的溫度高達(dá)數(shù)百萬度。 這是一個(gè)與我們的常識(shí)相悖的發(fā)現(xiàn)。 如果你在野外撐起烤箱，準(zhǔn)備進(jìn)行一次開心的燒烤時(shí)，你肯定會(huì)把要燒烤的食材盡量得靠近烤箱上的木炭，因?yàn)榫嚯x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(yīng)像烤箱里燒紅的木炭一樣，產(chǎn)出了太陽發(fā)射的幾乎所有能量，溫度高達(dá)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(wǎng)) 這種現(xiàn)象不會(huì)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(xué)界提出了 波動(dòng)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(jī) 現(xiàn)在，我們已經(jīng)可以通過日冕儀來制造人工日食，進(jìn)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(wǎng)站上的實(shí)時(shí)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(qiáng)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(diǎn)。 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(gè)太陽半徑的話，soho飛船低能夠觀測到1.1個(gè)太陽半徑，stereo飛船低能夠觀測到1.3個(gè)太陽半徑。 這讓從太陽表面到1.1個(gè)太陽半徑的區(qū)域成為了 日冕儀盲區(qū) 。 而這個(gè)盲區(qū)，恰好又是日冕加熱過程發(fā)生的關(guān)鍵區(qū)域。只有獲得了關(guān)于這個(gè)區(qū)域的觀測數(shù)據(jù)，才有希望解開日冕加熱機(jī)制的謎團(tuán)。 圖：soho飛船拍攝的日冕圖像，圖中有一片純藍(lán)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(shí)，存在一個(gè)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?yàn)榇耍虑蛘趽醯姆秶鷰缀醯牡扔?個(gè)太陽半徑，而沒有往外擴(kuò)展。 這使得科學(xué)家們獲得了 日冕儀盲區(qū) 難得的觀測機(jī)會(huì)。 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(diǎn)，將會(huì)對(duì)我們樹立更的日冕大氣模型提供依據(jù)，從而能更好的預(yù)測太陽風(fēng)暴的產(chǎn)生。 超級(jí)日全食 全民參與，科學(xué)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(jīng)做好了充足的準(zhǔn)備。除了常規(guī)性的地面觀測外，他們還動(dòng)用了一架灣流v型噴氣式飛機(jī)，飛到萬米高空，來觀測到被大氣層阻隔的紅外信號(hào)。 科學(xué)家們還動(dòng)員遍布全美的業(yè)余天文愛好者，通過 美洲大陸公民望遠(yuǎn)鏡日食 (cate)項(xiàng)目提交它們拍攝到的日食照片，讓科學(xué)家們能夠綜合掌握日冕在日食隨時(shí)間變化的情況。

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