日食奇观背后，还有哪些科学奥秘

北京日报客户端 | 记者 汪丹

今年首次日食于4月20日在南半球上演，激起了全球天文爱好者的狂欢，原因在于这是一次极其罕见的混合日食——日全环食，这种奇观本世纪仅有7次。

中国科技馆工程师、北京天文学会会员赵然子表示，虽然受限于地理位置，我国仅有东南部地区可见食分极小的日偏食，但我们可以先来了解日食的科技价值及观测知识，为下一次2035年光临北京的日全食做好准备。

（1）为何日食总遇农历初一

说到天文奇观，如果没有亲历一次日全食，真可谓“开谈不说红楼梦,读尽诗书也枉然”。人类的寿命之于宇宙如白驹过隙，著名的哈雷彗星每75年至76年回归一次，便几乎穷尽了人的一生，更别提那些动辄数千年一个轮回的周期彗星。像百年一遇的金星凌日，如果错过了2012年，那么下一次就要等到2117年了。因此相比而言，日全食出现的频率算高的，一年2-5次。自哥白尼时代起，人们认识到地球是围绕太阳旋转的一颗行星，地球还有一个围绕自己旋转的伙伴“月球”。而日食的出现，就发生在地球、月球和太阳排成一条直线时。

日全食创意图

4月20日发生的日食恰逢中国农历三月初一。熟悉农历的人都知道，日食有个规律，必然发生在农历初一，原因是每到农历初一月球便会运行到地球和太阳之间，人们看不到月亮，这就是月相变化的“朔”。当地、月、日呈一条直线排列时，月球挡住了太阳，就会形成日食。

日食出现在农历初一，但并非每个农历初一都有日食。因为月球环绕地球的轨道与地球环绕太阳的轨道并不在同一个平面之上。地球围绕太阳公转的轨道“黄道”与月球围绕地球公转的轨道“白道”存在一个5度左右的小夹角。这意味着，在农历初一，月球可能运行在黄道的上方或下方，只有在特定的时间和空间范围内，地球、月球和太阳才能恰好或几乎成一条直线，形成日食。

（2）混合日食与月影有关

太阳和月亮是宇宙留给人类最宝贵的奇迹。太阳的直径比月球大约400倍，而它们与地球的距离之差也恰巧约400倍，这才使得我们在地球上看到的太阳和月亮几乎是一样大的，日食这个天象也因此变得丰富多彩。

天文学一般把日食分为3种情况：日偏食、日全食和日环食。其实，日食之所以分为这么多类型，主要是由于地球处于月球阴影的位置不同而产生的差异。月影有本影、伪本影和半影之分。不透明体遮住光源时，如果光源是比较大的发光体，所产生的影子就有两部分，完全暗的部分叫本影，半明半暗的部分叫半影，而伪本影就是光线相交后形成的影，只发生在障碍物比较小，光线从它的边缘过去在排遣面相交的情形下，屏在相交点的后面时形成像。月球的本影或伪本影在地面扫过的区域称为日食带。在月亮本影扫过的地区，太阳光全部被遮住，人们所看到的是日全食；在半影扫过的地区，月球仅遮住日面的一部分，人们看到的是日偏食；当人们位于“月球伪本影区”时，看到的就是日环食。

2023年4月20日，澳大利亚埃克斯茅斯的日全食景观（视频截图）

这次发生在南半球十分罕见的日全环食，便集合了环食和全食两种情况。但大家不要误解，这并非是指在一个观测地点能同时看到这两种食象，而是指在不同的观测地点，可以分别看到日全食和日环食。4月20日发生的日全环食带从印度洋南部开始，经过澳大利亚的埃克斯茅斯，东帝汶东南部，印度尼西亚的亚马鲁古省、巴布亚省，在太平洋西部结束。由于这次地球与月球的距离十分微妙，在日食带的两端，便处于月球伪本影区，人们可以观测到日环食，而在日食带中部的绝大部分地区，人们观测到的都是日全食。在远离日食带的地方，也就是半影区，人们看到的是日偏食。我国由于所处地理位置距离日食带较远，这一次只在东南部地区能观测到极小食分的日偏食。

研究表明，本世纪会有224次日食，其中仅有7次日全环食（占3.1%）。上周发生的是本世纪第三次日全环食，之前两次分别发生于2005年4月8日和2013年11月3日。遗憾的是，全部7次日全环食都与我国无缘，日全食或日环食的机会倒是不少，比如，在2030年6月1日我国北部大部分区域可观测到日环食，在2034年3月20日我国西部可观测到日全食，尤其是2035年9月2日的日全食带将横穿整个中国大陆，届时北京可以观测到整个过程。

（3）观测日全食有门道

对于公众而言，日全食应该算是与太阳最直接的一次亲密接触，无论是不是天文爱好者，遇此盛事，想必都是不愿意错过的。但观测日全食，就像看一场球赛，其实有很多门道与注意事项。

人们戴着防护眼镜观看日食

我们可以将日全食发生的过程分为5个阶段：初亏、食既、食甚、生光和复原。“初亏”指月球的边缘与太阳的边缘相切之时，是日食的开始阶段；“食既”指太阳刚刚被月球完全挡住的时候，也就是日全食的开始阶段；“食甚”指两个星球中心重合或最为接近的时刻；“生光”指日全食阶段的结束，太阳从完全被遮挡的状态开始恢复；“复原”是月球的边缘与太阳边缘分离之时相切的瞬间，整个日全食结束。至于日环食，由于月亮无法完全遮蔽太阳，因此也就没有“食既”和“生光”的过程，取而代之的是“环食始”和“环食终”。日偏食只有初亏、食甚和复原3个阶段，其中食甚的时刻，是月球遮挡太阳最大的时刻。

在全食的阶段，由于没有太阳光球层明亮的光芒，天空骤然暗淡，我们不仅可以在白天看到天上出现许多星星，连平时被阳光淹没的玫瑰色美丽的色球层、白色发散的太阳大气外层日冕层以及火焰般不断喷发摇曳的日珥，都可以通过肉眼直接观测到。另外，在日全食的食既即将到来和生光刚刚开始的两个阶段，由于月球表面凹凸不平，太阳光会透过这些洼地或山谷，形成一串珍珠般的光点，十分晶莹瑰丽，我们称其为“贝利珠”。

但特别需要提醒的是，观测日全食，除了全食阶段以外，无论是用肉眼、佩戴日常墨镜，还是用相机、双筒或单筒望远镜，都不可以直接观看，否则太阳强光会给眼睛带来不可逆的伤害。为了保护眼睛，古人曾通过水盆观看倒影的方式避免直接接触太阳光，后人又改用油，进一步减少日光的刺激。到了元代，天文学家郭守敬发明了天文观测仪器“仰仪”，能更加安全且精确地观测太阳。而现代人可以使用专业的太阳观测眼镜来保护眼睛，在使用相机记录或使用望远镜观测时，则需要给相机和望远镜加上巴德膜等滤光装置，或使用其他专门的太阳观测设备。

观测日全食是一种极为难得的体验，虽然以全球作为统计，每年发生的次数并不少，但每次能够满足观测条件的地点屈指可数，能亲临现场的人更是少之又少。不过，好在现代科技手段能帮助我们通过电视或网络直播来欣赏和了解观测知识，为2035年9月2日发生在北京的日全食提前做好准备。

（4）日食对人类科研的价值

我国其实是世界上最早对日食进行记录的国家，最早的文字记载出自夏仲康五年秋九月庚戌朔（约公元前二十世纪）《竹书纪年》：“日有食之”，以及《文献通考》中所记：“日有食之，书胤征乃季秋月朔，辰弗集于房，瞽奏鼓，啬夫驰，庶人走，羲和尸厥官罔闻知。”这次日食记录被称为“仲康日食”。

通过对历史记录的分析，我国古代的天文官总结出日食现象出现的周期。由于日食、月食的发生，都与地球、月球和太阳三者的位置相关，因此古人将日月食统称为“交食”。中国古代最早对交食周期的记载是西汉的《太初历》，周期为135个朔望月，宋代的《统天历》计算的交食周期增至223个朔望月，相当于古巴比伦人的沙罗周期，而唐代的《五纪历》所计算的交食周期为358个朔望月。当美国天文学家纽康通过天体力学推算出的“纽康周期”同样为358个朔望月时，已经是19世纪了。

无论是在东方还是在西方，科学家都不仅仅将日食视为一个天象奇观，而是将其当作了解科学知识和认识宇宙的途径。

古希腊天文学家阿里斯塔克尝试通过几何学的方法计算太阳、月球与地球的距离之比。他认为月亮在弦月也就是一半被照亮的时候，太阳、月球与地球应该组成一个直角三角形，这时只要测量出月球、地球和太阳的角度，就可以得到太阳距地球和月球距地球的比值。然而测量出的角度非常接近90度，甚至超出当时人们所能掌握的测量精度，这说明太阳与地球的距离要远远大于月球与地球的距离。同时，结合在日全食中看起来几乎同样大小的太阳与月球，阿里斯塔克不仅得出了太阳的体积远远大于月球的结论，甚至最早提出了地球围绕太阳旋转的古朴日心说理论。1800多年后的哥白尼，正是受到阿里斯塔克的启发才完成了伟大的天文学著作《天体运行论》。

日全食最初是帮助人们了解太阳的重要工具。在日全食发生的时候，太阳的本体被月球遮挡，天文学家才可以轻松地对色球层、日冕层和日珥进行观测，这在现代观测设备出现之前是难以想象的。1868年8月18日，法国天文学家皮埃尔·让森在印度追寻日全食，在太阳完全被遮住后，他通过光谱仪对色球层进行观察，发现了一条明亮的黄线，从而检测到一种全新的化学元素“氦”。

在帮助人们认识世界本质这方面，日全食也起到了举足轻重的作用。1905年，爱因斯坦提出了相对论。根据相对论的描述，引力能够使光线弯曲，只是这个弯曲幅度非常小，只有光线经过足够大质量的天体时才能够被观测到。受限于当时的观测技术，太阳是人们能够精确观测到的最大质量天体，通过观测太阳所在位置背景的星光偏移，就可以验证相对论是否正确。但想要观测太阳旁边的星星，只有在日全食发生之时才有可能。1915年，爱因斯坦又提出了广义相对论，预测太阳周围的星光受到太阳引力的影响，将会偏移1.74弧秒。在4年后的1919年5月29日，发生了一场横跨南半球中纬度地区的日全食，且太阳所在的方位正好处于毕宿星团旁，十分易于观测。英国皇家天文学会派出两组队伍，在巴西的索布拉尔和西非的普林西比岛进行观测，最终观测结果分别为1.98弧秒和1.61弧秒，广义相对论因此得到验证，进而奠定了现代物理学的基础。

到了现代社会，日全食可以帮助人们研究大气电离层的一些特性。电离层是受太阳辐射和宇宙射线的激励而处于电离状态的地球大气高层，作为一种传播介质能够使电波受折射、反射、散射并被吸收而损失部分能量于传播介质中，科学家利用这些特性帮助人们进行无线电通信。电离层的厚度与太阳辐射量直接相关，而日全食相当于直接遮挡住了绝大部分太阳辐射，因此可以在日食期间研究太阳辐射对大气电离层带来的一系列影响。

随着现代科技的日益发展，科学观测手段的极大丰富，日全食已经不再是人们了解和认识宇宙的主要工具，但作为天文学中最引人注目的天象之一，它可以吸引大多数人的关注，从而更好地推广天文学的知识和理念，提高大众尤其是青少年的科学素养和科学文化水平。

（供图：视觉中国）