日全食：現代科技和天文奇觀在太陽上的邂逅

　　370年一輪回;科學價值非同一般;2035年再見

　　在日全食出現前的兩三分鐘里，天光似乎不是逐漸地變暗，而是像坐滑梯一樣突然黑了下來。月亮的影子也像一朵飛云一樣，從西邊迅速地飄了過來，又黑又快。

　　作為一位天文學家，7月22日發生在中國境內的日全食對于中科院云南天文臺研究員林雋來說，已經期待了很久。因為他的研究方向正好是理論太陽物理以及對各種太陽活動的分析和研究。

　　“太陽實際上與天上的群星一樣，是一顆普通的自己能發光的星。但是，它比其他的恒星距離我們要近得多。”這也意味著對太陽的各種研究，很有可能會使人們對遙遠恒星甚至宇宙的認識更進一步。

　　在接受《科學時報》記者采訪時，林雋說：“不論對科學家還是天文愛好者，日全食都是一次觀測太陽的絕佳機會。”

 

　　370年一輪回

　　科學史上最著名的一次日全食觀測，是1919年5月29日愛丁頓驗證愛因斯坦廣義相對論的觀測。當時，英國劍橋天文臺愛丁頓博士成功地取得了日食觀測資料，經過仔細測量、分析和計算，得到的偏轉角為1.64角秒，這一數值和愛因斯坦理論上預言的1.75角秒非常接近。這就無可辯駁地驗證了廣義相對論的正確性。

　　從整個地球來講，日食甚至日全食的發生概率并不是很低。科學計算表明：每年都有2～4次日食，個別年份還可能發生5次。僅就日全食而言，大約每100年發生65次，平均1年多也會有一次。

　　但是，每次能夠看到全食的只是一條寬度為兩三百公里的狹長地帶，面積不到地球總面積的1%，大約需要375年才能夠讓整個地球表面都輪上一次。因而對于每一個具體的地方來說，日全食就成了難得一見的自然奇觀，有統計表明，同一地點兩次看到日全食，大約平均間隔370多年。

　　“平均每次全食的最長時間也只有3分30秒。”林雋說，“7月22日發生的日全食之所以備受關注，正是因為持續的時間長，因此很多科學家也認為這是本世紀最重要的一次日全食。”

　　這一次日全食從印度西部開始，月影將花費8分鐘時間掃過印度。再掃過尼泊爾最南部和孟加拉國極北部，經過不丹國的大部分，穿越緬甸北部，擦過西藏一角(察隅)，進入云南，最終，在太平洋東部結束。全食帶面積只占地球表面的0.71%，而且很大一部分在海上。因此，這一次日全食的最佳觀測地點在我國。

　　7月22日，月亮離地球的距離會比平時近，而太陽離地球比平時遠，從地球觀測，月亮的直徑看起來比太陽大了接近8%，因此日全食的時間就特別長。

　　“這次在日全食的中心點，持續時間最長可以超過6分半鐘，是1991年到2132年間全世界日全食持續時間最長的。不過，只有在太平洋里觀測才能夠達到這樣的時長，對于我國陸地觀測，上海可以達到5分鐘，這是1814年以來在我國境內能夠看到的最長的一次日全食。”林雋解釋說。

　　“通過肉眼，人們一般只能看到太陽的光球表面，有時可以看到太陽上的黑子。對太陽內部的認識，是科學家通過各方面科學研究的結果，現在都還在不斷地加深認識。太陽外部的色球、日珥、日冕等現象，人類最早也是在日全食期間才可能看到和進行研究的。”林雋說。

 

　　科學價值非同一般

　　科學家們最初對日食的觀測研究是從天體力學的角度進行的。19世紀中葉以后，隨著光學、天體分光學和照相技術的發展和應用，日食觀測才轉而研究太陽本身的物理狀態。

　　太陽是太陽系大家族的中心，它已經存在了大約50億年，現在正處于旺盛的“青壯年”時期。林雋形容說，看起來太陽表面就像煮開了的一鍋大米粥，有著不斷上下翻騰的“米粒”狀結構，并且有著強的磁場。

　　利用日食，人們可以觀測平時不可能出現的一些特殊天象，最明顯的就是觀測太陽周圍的亮環，也就是太陽的大氣層——日冕。

　　“日全食階段是用肉眼觀看日冕的獨一無二的機會。當月球將十分耀眼的太陽完全擋住的時候，我們才能夠看到日冕，日冕也和黑子一樣有著11年的變化周期。”林雋說。

　　白光日冕照相是日全食觀測的經典項目，它對研究日冕的亮度、形態、日冕精細結構(如冕流、拱狀結構、冕洞等)、日冕磁場等均有重要意義。日冕是太陽大氣的最外層，非常稀薄、暗弱，亮度只有太陽本身的百萬分之一，即使在日偏食和日環食的時候也看不到它。

　　林雋介紹說，在日食觀測史上真正能成功得到理想的白光日冕照相也并不多，這是因為要成功獲得這樣的照片對儀器有很高的要求：首先，在較高的光學空間分辨率條件下，要有幾米長的長焦距照相機;其次，對所有的內冕特征都要有一個合適的曝光時間;再次，需要一塊合適的徑向減光板，以彌補內外日冕強度的不均勻性。使用精心設計的徑向減光板，天文學家可以拍到1～6個太陽半徑范圍內的日冕白光照片。

　　上世紀70年代以來，隨著各類科學衛星上天和空間技術的迅速發展，特別是SOHO衛星上天后，在非日食期間可以觀測到20個太陽半徑范圍內的日冕，使人們的眼界大大地開闊。

　　日冕白光偏振觀測也是一項重要的內容。科學家在1871年就發現日冕白光存在偏振光，而且有較高的偏振性，這跟大氣磁場有關。因此，在日食觀測時白光偏振觀測幾乎是一個傳統項目，科學家認為光的偏振可能是日冕大氣中自由電子的“湯姆遜散射”引起的。

　　林雋說：“該項觀測主要研究日冕的偏振方向，偏振隨太陽活動周期的變化，太陽兩個極區和赤道區偏振的差異，日冕偏振度沿太陽半徑方向的變化等，并從觀測上驗證‘湯姆遜散射’機制，研究日冕高偏振度的精細結構。”

　　而光譜觀測需要采用光譜儀器(也稱攝譜儀)進行，它是將日冕像成在光譜儀的狹縫面上，這樣將只有小部分日冕光從狹縫進入光譜儀內，并通過光柵分光，按不同的波長排開，形成一條彩色的光譜帶，然后，科學家們會將自己感興趣的幾個波段會聚成光譜像，并拍攝成照片。

　　由于日冕光度較弱，日冕的光譜觀測比白光和偏振觀測要更困難一些。要研究太陽日冕內的物理性質，如日冕溫度、電子密度、物質運動速度、化學組成和元素豐度等，都離不開光譜觀測。

　　“通過對譜線形狀的測量計算并借助某些理論指導，可以導出日冕內某些重要的物理參數，進而推測太陽日冕的物理狀態。科學家通過日冕光譜研究發現日冕的溫度高達幾百萬度，這是人們難以想象的高溫。”林雋說。

　　閃光光譜觀測是日食中最困難的觀測項目。太陽色球層是太陽光球層上面的大氣薄層，厚度僅約2000公里左右，只有當月輪快要把日輪完全掩食完的一瞬間和日輪快要從月輪背后露出的一瞬間，太陽色球層才有機會顯露出來，僅有十多秒的時間可以利用。

　　“由于這項觀測的難度大，成功獲得閃光光譜的日食觀測資料并不多。”林雋說，我國的天文學家首次取得閃光光譜資料是在1980年云南日全食期間。2008年在我國甘肅日全食中，中科院云南天文臺的天文學家不但成功觀測到太陽色球的閃光譜，而且得到色球光譜的偏振觀測資料，這是國外天文學家多年來想做而未能成功的項目，因此引起國際上極大的關注。

　　閃光光譜(包括連續譜)觀測資料是極其寶貴的，對它的處理和分析研究可獲得太陽色球層的大氣模型，即大氣內溫度、密度、速度、化學元素及豐度等重要物理量隨太陽高度的分布情況。

 

　　2035年再見

　　“從去年開始，就陸續有國外的科學家和我聯系，想來中國看這次日全食。”因為機會十分難得，林雋也早就作好了觀測的準備，但為了能讓公眾更為科學地觀測這次難得的日全食，林雋放棄了去現場的機會，選擇了在媒體上當嘉賓。

　　“下一次我國境內再能見到日全食則要等到26年后的2035年，還只有西藏等邊遠地區才能看到。”林雋說，隨著科學的發展，天文學家已經完全知道了為什么會發生日食，以及每次日食大致過程是什么樣的。

　　在全食出現前的兩三分鐘里，天光的變化似乎不是逐漸地，而是像坐滑梯一樣突然降了下來。月亮的影子也像一朵飛云的影子一樣，從西邊迅速地飄了過來，又黑又快。

　　林雋認為，全食階段是觀測中最有意義的。比如，紅色的、比日冕稍亮一點的噴發日珥，離太陽始終很近的水星，還有包括金星在內的幾顆亮星陪伴，都是觀測中的關注點。

　　“這一次，水星在太陽東面，離開太陽大約10度——也就是說，向前伸開你的手臂，大概一拳頭寬的距離。而金星在太陽西面大約44度。地平線附近，則似乎是傍晚的景色。”林雋說。

　　雖然不能親臨現場，但林雋并不感到太遺憾。

　　“我國天體物理研究水平的進步是巨大的，連國外的科學家都在感嘆，也意識到了中國科學家的工作是不能忽略的。”林雋表示。

　　“目前，我國非常重視天文學發展。比如，正在建設的世界最大單口徑射電望遠鏡FAST，它在國家重大需求方面有重要應用價值。”林雋認為，天文學研究在很大程度上依靠觀測，一旦擁有更為先進的觀測儀器，也就等于比其他國家先行了一步。

　　“日全食很難得，但更為重要的是，可以激發起一部分青少年對天文的興趣，這對未來我國天文學研究儲備人才，意義十分重大。”林雋說。