来自月亮的恶作剧预告

posted by htian on Tue, 20/08/2017 - 12:00

来自月亮的恶作剧预告

北京大学地球与空间科学学院15级本科生朱英杰撰稿

8月21日，农历闰六月三十中午前后，作为地球调皮的卫星，我月亮将在北美大陆上演一出偷天换日的好戏，届时你们可不要吓坏了哟！

图1：2017年8月21日将要发生的北美日食的食分程度（太阳最大被遮盖程度）和食甚时刻（太阳最大部分被遮盖时刻）分布。整个日食过程从西北部开始，然后向东南方向发展。其中大致沿水平方向倾斜的黄线代表了食分程度分布。食分程度从中间最粗的黄线（全食带）向东北和西南方向递减。大致沿竖直方向延伸的绿线代表了各地观测到最大食分时刻的预计时间。UT代表格林尼治时间即世界时，PDT, MDT, CDT, EDT分别是当地的地方时。

来源：https://www.greatamericaneclipse.com/

日食的成因

图2. 月球公转轨道面（白道面）和地球公转轨道面（黄道面）交点与可能发生日食位置示意图。升降交点分别是白道面和黄道面在月球的一个运行周期中的两个交点。

来源：https://www.ilspace.com/2016/moon.html

话说回来，尽管偷偷跑到地球和太阳之间的机会每个月都有，这样的恶作剧可不是每个月都能完成。因为我绕地球运行的轨道面（白道面）和地球绕太阳运行的轨道面（黄道面）有着大约5°的夹角。正是这个不大不小的夹角，使得我不能在每个月的新月之日上演一场偷天换日的好戏。而只有当我的位置同时满足在黄白道交界面附近和日地之间两个条件时，我才有机会一展身手。

不过由于我离地球的距离时近时远，想要把太阳在你们眼中严严实实地遮住可不是一件轻松事。正如图3中所展示的，我只能把处在本影区域内人们头顶的太阳整个遮住，产生日全食。对于处在半影范围内的观察者，我只能勉为其难地挡住部分来自太阳的光线，呈现出日偏食。如果我离太阳太近，真正的本影范围无法落到地球上，那么地球上的你们看到的就是日环食啦。

图3. 日食成因示意图。A区域：本影，可以观测到日全食；B区域：伪本影，可以观测到日环食；C区域：半影，可以观测到日偏食

来源：https://zh.wikipedia.org/wiki/æ¥é£

图4：2010年7月11日日全食合成像来源：http://www.weymouthastronomy.co.uk/gallery/eclipse/eclipse.php?show="2

图5：2010年1月15日云南丽江日环食合成像来源：刘衍哲

图6：一张日偏食全过程的合成像来源：http://www.stuff.co.nz/science/7945397/Solar-eclipse-wows-Kiwis

历史上的日食

尽管想要完成类似的恶作剧困难重重，在历史上我的恶作剧还是成功吓唬到了你们的祖先。古代的文字和图画上也多次留下了我在恶作剧时的身影。最早关于日食的图画可以追溯到5000多年前。一块出土于爱尔兰的石板上的图案被认为纪录了公元前3340年发生的一次日食的全过程。中国古代也留下了不少关于日食的文字记载。如《尚书·胤征》与《夏书》都提到了一次夏朝发生的日食。《尚书》中更是直接点明其发生在仲康年间。

“羲和尸厥官，罔闻知，昏迷于天象，以干先王之诛”

一名叫做羲和的可怜天文官员似乎因为在我那次恶作剧中表现失职而被处死。而《诗经·小雅·十月之交》中有

“日有食之，亦孔之丑。彼月而微，此日而微”

的记载。虽然我的恶作剧被认为是“大凶”，但是能在这样重要的作品中留下身影，我还是相当高兴的。

图7：被认为迄今发现的最早有关日食事件记录的石板和解释图来源：http://www.astronomy.ca/3340eclipse/

你们的祖先早年还没能看穿我的小把戏，留下了各种天马行空的猜测。西方有认为日食是一个怪物（我可不是怪物）试图在摧毁太阳。也有人认为是太阳和我月亮陷入了爱河。在东方也大多认为这是件不吉利的事儿。每当我刚刚开始我的恶作剧，人们就奔走相告，祈求“救下”太阳。我在公元前585年完成的一次恶作剧正好把影子投在了米底王国(Mede)和吕底亚王国(Lydian)两军交战的战场上。当时被吓坏了的两军将士最终鸣金收兵，握手言和。这一事件因被古希腊著名历史学家希罗多德记录在他的作品《希腊波斯战争史》中而流传后世。真没想到我月亮也扮演了一回和平使者的角色。

不过你们聪明的祖先也渐渐找到了我恶作剧的规律，迦勒底（新巴比伦）人最早记录了一个约为18年零11天的日食周期，被称为沙罗周期(Saros Cycle)。事实上，我和太阳、地球三者的相对位置变化大致以这6000多天为一个周期。因而两次在相似位置上发生的日食会存在这样的规律。在东方，东汉王充《论衡·卷十一·说日篇》中已经对我的小把戏有了非常透彻的解释：

“日食者，月掩之也，日在上，月在下，障於（月）之形也。”

简明有力地阐述了我在日地之间的存在是形成日食的原因。

文艺复兴之后，西方的天文学家也绘制了不少精美的图画来展示日食的成因。

图8:一张由Asa Smith于1855年绘制的日食成因示意图来源：https://www.greatamericaneclipse.com/basics/

日食的科学研究

可为什么你们科学家弄明白我恶作剧的真相后，还孜孜不倦地要进一步来仔细研究我的“演出”呢？后来我才知道，日食在你们眼中还真不完全是个恶作剧。日食过程是一次宝贵的天文观测机会，不少对太阳的天文发现都是在日食时完成的。这样想起来，我还有点小激动呢。

因为我的存在遮挡住了绝大部分来自太阳光球层（Photosphere, 我们平时看到的太阳白光的主要来源）的光线，这使得太阳大气中其他部分变得相对可见。太阳更高层的大气色球层(Chromosphere)就是在早期的日食观测中发现的。

图9：1999年日全食食甚时刻白光像，玫瑰色部分是色球层以及与色球层温度相近的日珥物质。呈现红色的原因是一条波长为656.3nm的谱线(Halpha)亮度在色球光谱中占绝对优势。来源：https://en.wikipedia.org/wiki/Chromosphere

另外，图9中那些向四周发散的白色部分是太阳大气的最高层——日冕层(Corona)，有着一百万度以上的高温。和这一部分的物质会伴随着太阳的能量爆发活动而被抛射到行星际空间中，形成日冕物质抛射(Corona Mass Ejection, CME)。一部分抛射出来的高能粒子到达地球，对地球上的通信、导航等服务均会产生一定的影响。这样壮观的天文现象也是在1860年由我完成的一次日食中被首次观测到。

图10：由G. Tempel绘制的1860年7月18日的日全食像，右下方那团缠绕的物质被认为是人类首次观测到的日冕物质抛射事件来源：http://sunearthday.nasa.gov/2006/locations/firstcme.php

不过要说到最让我自豪的恶作剧，莫过于发生在1919年5月28日的日全食了。当时由艾丁顿勋爵率领的科考队在西非海岸观测日食发生时观测到的恒星位置与半年前观测到的位置进行对比。证明来自遥远恒星的光线在通过太阳这个大质量物体附近时发生了一个大小约为1.75个角秒的偏转，和爱因斯坦广义相对论的预言相符。这成为了支持广义相对论的第一个有力证据。

图11：1919年日全食观测证实广义相对论预测实验示意图，黄色实线代表了真实的光线传播方向，而橙色虚线代表了地球上的观测者看到的光线的延长线方向。来源：http://ds9.ssl.berkeley.edu/solarweek/THURSDAY/history.html

如何安全观测日食

讲了这么多我引以为傲的恶作剧历史，为了让你们能够更好，更安全地欣赏我带来的这场表演，还是有几点需要提醒大家：

一、不要用肉眼观测！在除了全食食甚时刻（太阳完全被我遮挡住的时刻）之外的任何时刻都不要用肉眼、未加防护的天文望远镜等直接观测太阳。这会对你们的眼睛造成不可恢复的伤害！在全食食甚时刻可以选择摘下滤光镜观察，但当阳光重新出现时一定要重新戴上滤光镜。

二、使用有效的滤光片！一般直接观测日全食可以通过佩戴带有滤光片的特制眼镜来避免被太阳光伤害。美国天文学协会(American Astronomical Society, AAS)推荐使用满足ISO 12312-2标准的滤光镜进行观察，具体有代表性的品牌有Rainbow Symphony, American Paper Optics和 Thousand Oaks Optical。

三、间接观测方法：通过墨水水面反射观测（有可能造成伤害，不推荐）；小孔成像投影（让阳光通过一个小孔在后像面上观察）等手段。实际效果可能不如用带滤光片的眼镜直接观测理想