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風靡美洲大陸的超級日全食究竟蘊藏著哪些未解之謎？

02-12

作者：LISA GROSSMAN

翻譯：Propagator

審校：山寺小沙彌

當天空不再光明，當大地不再溫暖，當星星在白晝閃耀——別擔心，這不是末日降臨，從東海岸到西海岸，無數美國人民將見證這一奇觀，近百年來首次見證如此大範圍的日全食現象。有幸見過日全食的人們感慨，目睹太陽在天空倏然消失彷彿置身異世界。如此天文奇觀讓狂者謙卑，讓信徒虔誠，更有甚者，它還能改變歷史的行程。

8.21日食將會在北美大陸上陸續出現，時間長達一個半小時。地圖上黃色與橙色陰影部分是可以觀測到日全食的區域。地圖的其餘部分只能看到日偏食。

但是，當月球在8月21號從太陽面前掠過時，科學工作者們無暇感慨，他們得抓住日食提供的研究機會。

「任何人都會被那瑰麗的黑暗天空所吸引，」IAU庫卡蒙加支部的帕德瑪·費舍爾說道，他將在卡本代爾觀測這次日食，「但人們往往沉溺於這份美麗，卻忽視我們那些微小的科學工作」

科學家們研究的許多問題都與太陽外圍那甜甜圈一樣的空間有關，而這些「甜甜圈」，也就是太陽的內冕，只有在日全食時才方便觀測。內冕是太陽稀薄的大氣層的一部分，從太陽表面一直延伸到2個半太陽半徑的範圍。而大部分太陽物理學現象都出現在內冕上：太陽風起源於此、圈狀磁結構在這裡紮根、日冕物質拋射和耀斑等空間天氣在此處發芽。

藉助遮光片擋住太陽的光亮後，太空望遠鏡如NASA的「索賀」太陽探測器，可以持續不斷地觀測太陽外冕。但是望遠鏡很難保持穩定，如果遮光片與太陽在望遠鏡視野中的尺寸完全相同，遮光片的任何平移和抖動都會漏過太陽光子，這些光子會破壞觀測數據甚至損傷望遠鏡。

還有一個問題是衍射，即光線在遮光片邊緣繞射傳播。如果遮光片太小，光線完全可以繞過遮光片衍射到相機正中間，一葉可障目而不足以蔽日。陽光在大氣中四處瑞利散射——正因如此天空看起來是藍色的——白天無處不在的明亮日光掩蓋了幾乎所有的日冕信息。

為了降低衍射光的影響，望遠鏡都會加大遮光片尺寸，一般是太陽像斑半徑的兩倍。這樣才能保證數據和望遠鏡不受損壞。但這樣也就遮擋了絕大部分的內冕。

而月球同志幫我們解決了這些困難，她遠在大氣層之外，更幸運的是，她尺寸不大不小，恰到好處地擋住了太陽。「人類再也找不到比月亮更好的遮光片了」，威廉姆斯學院的傑·帕薩喬夫說道，他也將觀測本次日食，這已經是他第34次觀測日全食了。

上面這些大概解釋了為何日食在科學研究上如此特別，那麼21號的這次日食有什麼特殊之處呢？

上圖為2002年的「索賀」太陽探測器拍攝到的日冕物質拋射。但能夠觀測太陽表面附近的遮光片只有日全食的月球能做到。

日全食在地球上大概每18個月可以見到一次，從時間上看似乎也不算特別稀罕。但大多數日全食很難實現有效全面地觀測，當太陽被完全遮蔽時，它不是在遙遠的大洋上空，就是被雲層擋得一乾二淨。

這次日全食卻在整片北美大陸上提供了總計93分鐘的可觀測時間（當然每個地方只有2分鐘）。這就意味著地面的觀測站有更大的可能在清澈無雲的天空下觀測本次日全食。這也為研究者提供了一次難得的機會，可以在太陽跨越俄勒岡到南卡羅萊納的這一個半小時里，仔細欣賞和記錄日冕在太陽表面舞動搖擺。

當月球的陰影在21號灑在北美大陸上時，還會有一批無線電愛好者打開他們的接收器——他們可不擔心會不會下雨，因為他們關注的並非太陽本身，而是我們頭上幾百公里處的電子殼層，它的散射照亮了天空，它傳遞著電波信號，它守護著所有地球生命的延續。

陽光會把電子從大氣層中的原子上剝開，形成帶電的電離層。

這部分大氣層，也就是所謂的電離層，可以吸收太陽發出的極端紫外輻射，保護地面上的生命免受損傷。「電離層是地球存在生命的原因」，波士頓大學的物理學家約書亞·塞梅特如是說道。

電離層同樣也是各種瑰麗現象的舞台，比如北極光就是星際空間中的各種帶電材料略過大氣層留下的痕迹。此外，電離層對於GPS信號和各類電波通訊也非常重要。

電離層是由太陽放射出的電子、離子等粒子，在地球上空75~1000公里處形成的。在電離層內飄蕩著各種正負電荷的離子，可以用於傳遞電磁信號。

然而在沒有陽光直射時，這部分電離層會停止電離。電子重新回到它們遺棄的原子分子那裡，中和電離層的電荷。由於自由電子減少，電離層反射電磁信號的特性發生變化，就像一面扭曲的鏡子。

電離層在陽光照射下，電子被從原子上剝離，釋放出紅綠色閃光。上圖是國際空間站拍攝的電離層中的輝光。

目前我們只是粗略地了解這種現象，但這次日全食為研究者們提供了一次近乎實時地觀測這一充放電過程的機會。

正如喬治梅森大學的吉爾·尼爾森所說：「這次日食讓我們得以觀測電離層由亮到暗再到亮的快速轉變。」

華盛頓美國海軍實驗室的約瑟夫·胡巴和道格拉斯·德羅布在7月17號的《地理研究快報》上發布了一些關於電離層的預測。他們認為，在高空，電子的溫度應當會降低15%。在地表上空150~350公里的高空之間，由於自由漂浮電子與原子重新結合，其數密度會降低為原來的一半。漂浮電子密度的降低產生的擾動會順著地磁場線傳播很遠的距離，即使遠在南美洲的角落裡，也能探測到日食產生的漣漪在電離層中的迴響。

胡巴和德羅布的預測結果，黑色線條為正常的電離層電子密度變化曲線，紅色線條為日食後的電子密度變化曲線。

以往的日食實驗表明，電離度並非簡單地倏然降低再疾速上升。觀測者所看到的電離程度取決於他和月球在地表上的投影的距離有多遠。

尼爾森和她的同事們開展了一項名為「日食小隊」的計劃，他們動員了美國各地的志願者在太陽被暫時遮蔽時收集電離層的數據。

他們給約150名日食小隊成員提供了一個簡易的無線電接收器裝配包，這種接收器可以連接到智能手機的耳機插孔上。在項目的裝配包告罄後，其他成員則不得不自己裝配接收器了。在8月21日，志願者們將接收無線電發射機的信號，並在日食全程記錄的信號強度變化。

日食小隊用到的自製無線電接收器

尼爾森並不確定「日食小隊」項目會得到什麼樣的數據，數據可能與接收人員的位置有關。「我們需要找出數據的規律所在」，她說。「但我不知道會有怎麼的數據在等著我們。」

至於波士頓大學的塞梅特和他的同事，他們主要研究的是日食對GPS信號的影響。他們也希望有朝一日能用手機測試日食對電離層的影響。

在今年的日食中，他們將會用現存的GPS接收器網路觀測無線電信號。並將其與一般手機中類似的小型廉價 gps 接收機進行散置。日食中的月球陰影將會在電離層上產生一個大冷斑，掀起一陣在電離層中傳播的電磁波浪。這波浪會在電離層上留下印記，並影響到GPS信號。他們團隊希望能將高質量的數據與難以處理的數據集合起來，為有朝一日將這項實驗推廣到手機用戶中打下基礎。

「這項計劃的最終版本是藉助全球20億智能手機的力量，」塞梅特說道，在不遠的將來，每個手機用戶都會成為一個全球化大望遠鏡的節點。

這項計劃如果真能實現，可能會成為無數人的拯救天使。在2011年的日本福島海岸地震，就曾經觀測到地震源輻射出類似的大氣波動。「地震中的某些大氣層現象與日食時很相似，」塞梅特說道。理解了電離層的這種波動，也許有朝一日我們能成功預言地震。

2011年日本地震時電離層上的波動

太陽控制不住它自己，一直在持續不斷地向外噴射時速高達數百公里的帶電粒子流，洶湧的高速粒子流在行星間橫衝直撞。

這種帶電粒子彈幕就是所謂的太陽風，它掌握著太陽系內生命體的生殺大權，被認為是剝奪火星大氣層的兇手。地球也曾面臨同樣的命運，但地磁場引導著太陽風中的帶電粒子在星球外盤旋遊盪，保住了地球的勃然生機。

太陽風在地球大氣層引發的極光

太陽風的行為特性還有很多不解之謎，它起源於太陽表面與大氣接壤的區域，和地球上的風兒類似，太陽風也是捉摸不定的——在不同區域的風速大相徑庭。在太陽大氣，即日冕最暗的地方，太陽風風速最快——能達到每秒800公里。而在寬廣尖厲的冕流處，太陽風的風速卻降低到大概300公里每秒。科學家們一直沒能找到太陽風如此善變的原因。

8月21號的日食給天文學家們提供了一個研究太陽風與內冕相互作用機制的絕好機會。NASA哥達德太空基地的奈特·格普爾斯瓦米就是研究大軍中的一員，他將和同事們一道，使用新型偏振計探測太陽噴射出的電子速度與溫度。探測範圍將從太陽表面開始，逐步擴展到太陽半徑的8倍也就是560萬公里遠處。

NASA太陽動力學觀測衛星於2014年5月觀測到的日冕孔。儘管看起來人畜無害，但這些暗斑處才是太陽風最猛烈的地方。

「我們有望探測到幼兒時期的太陽風」，格普爾斯瓦米說道。

這台偏振計將被安置在俄勒岡馬德拉斯的一所高中里，偏振計將會提取出偏振光，也就是把光的電場偏振方向統一。鑒於電子對偏振光的散射要強於非偏振光，這次觀測會讓科學家們直接觀察到電子的行為，更進一步地了解太陽風的特性——它從哪裡來？能飛多快？溫度多少？

為進一步記錄太陽風速度和溫度的途徑，格普爾斯瓦米和同事們還將在四個不同的光波長上記錄太陽風的分布圖像。繪製不同速度的太陽風分布圖有助於了解太陽表面的太陽風的變速機理。

早在1999年的一次日食中，該小組就在土耳其的一次日食中試用了這台偏振計的初始版本。但為得到全部所需數據，那台老儀器要求研究人員翻轉三個不同的偏振片。而且偏振片的翻轉還是用的又慢又笨重的手搖式轉輪。但是在日全食的時候，一個觀測點只有兩分鐘時間，根本沒有時間給你慢慢搖啊。

他們的偏振計可以通過三個偏振片在四個波長段上同時收集數據。「這台裝置最主要的要求就是在日冕發生劇烈變化之前儘可能快地記錄太陽風的分布圖，」格普爾斯瓦米補充到。一次曝光需要2~4秒，再算上6秒鐘的偏振片更換時間，400秒的觀察窗口內他們大概能拍下36張照片。

日地關係天文台觀測到的太陽風圖像，帶電粒子從太陽上逃逸並開始肆虐太陽系。

格普爾斯瓦米和他的團隊在2016年3月的印尼日食中首次測試了他們的新儀器，「謀事在人，成事在天，可惜天公不作美啊，」他遺憾地說道。「那次日食開始前10分鐘，突然開始下雨」

今年他們選擇了馬德拉斯作為觀測點，因為從歷史數據來看，這裡被雲層遮蓋住日食的可能性最小，但他們還是祈禱能夠迎來一片晴朗的天空。

當然，這次難得一見的日全食，還有很多科研人員和科學愛好者關注著各種各樣的問題，如水星的表面成分、日冕的磁場結構，甚至是日食期間的動植物行為等，受篇幅所限，這裡不再一一介紹。身在大洋彼岸的我們，也只能在朋友圈發幾張日食的美圖了。

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