中國國家天文:神奇的人造日全食(圖)

人造日全食

　　壯觀的日全食是進行太陽物理研究的重要觀測手段，但這對想要解開太陽之謎的學者們來說遠遠不夠，他們經過長期探索，發展出了多種觀測太陽大氣層的手段，「人造日全食」是其中一種。

　　日全食的啟迪與貢獻

　　今年8月1日我國哈密、酒泉等地如果是晴天，將會有機會看到日全食。可以想見，屆時會有大量業餘天文愛好者和專業人士聚集該地，一睹天賜奇景。同時，他們也會抓住時機，儘量高效率的運轉觀測設備，以便獲取儘量多的資料。

　　所謂日食，是指月球運行到太陽和地球之間時，在地球表面上月影區域裡的人所見到的太陽被月亮遮擋的現象。在歷史上，因為對日食的形成原因不清楚，日食曾形象地被稱為天狗吃太陽。日食的前半段過程，從初虧至食甚，看起來確實很像是太陽逐漸被吞食。不過，日食的後半段過程，並不表現為被吞掉的太陽又被吐出來，而是最先被吞掉的部分被最先吐出來。所以日食過程更像是用塊圓板從太陽一側移到另一側的遮擋過程。日食時，地面上位於月影中心區的人，看到的是日全食或日環食，位於月影半影區的人，看到的則是日偏食。壯觀的日食在科學研究上也意義重大，深受人們的追捧。而人造日食的主要目的就是造出可供觀測的日全食，協助我們了解太陽的外層大氣——日冕，這個產生巨大環境擾動的溫床。

　　我們容易想到，如果月亮繞地球運行的軌道和地球繞太陽的軌道在同一個平面裡，那麼月亮每繞行地球一圈，就會產生一次日食，也就是說，每個月會有一次日食。然而，月亮繞地球的軌道和地球繞太陽運行的軌道並不是在同一個平面裡，兩個軌道平面之間夾著一個小的角，所以從地球上看，太陽的位置越接近上述兩個軌道的交點，才越可能發生全食現象。實際上，只要太陽的位置到這兩個軌道的交點距離小於一定的值，就會有日食發生。據統計，在地球上的同一地點，平均三百多年才有一次日全食，每次日全食的時間也只有幾分鐘。

　　1968年，中國科學院組織天文、地球物理和氣象界人員對新疆地區9月22日發生的日全食作了考察，本人是考察隊成員之一。這是20世紀50年代以來我國的首次規模較大的日全食綜合考察。偏食開始後，晴朗天空的亮度漸漸下降，草原和山丘上的牛羊馬匹依舊安詳地低頭吃著秋草。全食開始前的一瞬間，一股猛烈的冷風突然颳起，席捲了大地。天空驟然變暗，正在食草的牲畜狂奔亂跑，大聲嘶鳴，剎那間天地一片漆黑……其情其景何止神奇，簡直令人震撼，領悟了一次大自然的威力。那次日全食在新疆昭蘇縣只持續了約19秒。

　　日全食的現象使我們感興趣的原因次數少，持續時間短，更重要的是，日全食向我們提供了一個難得的認識太陽的機會，了解太陽對我們生存環境如何影響的機會。科學技術的發展，為我們觀測日全食的望遠鏡提供了諸多可以選擇的附屬設備，如光譜儀、濾光器、偏振器等，觀測結果大大豐富了我們的太陽知識。日全食觀測研究告訴我們，在日常的非日食期間看到的發著強光的太陽只代表了太陽大氣的底層，稱為光球層。在底層之上還有兩個層次，其中一層是厚度幾千公裡的中間層，稱為色球層，它的物質密度遠低於光球層，但溫度高於光球層；另一層是太陽大氣的高層，稱為日冕層，它的密度更小，但溫度極高，可達百萬度。這三個物理性質截然不同的層次，共同組成了太陽大氣。我們在日全食時拍攝到的，存在於太陽周圍的雲狀物，有時可高達百萬公裡，這就是日冕，是高層太陽大氣。許多神秘有趣的現象就出現在日冕之中。比如1869年一次日全食觀測中發現，日冕所發射譜中有一條陌生的波長為530.3nm綠色譜線，起初認為是一種新的氣體，稱之為？輻射，後來認證出它是13次電離的鐵離子發出的譜線。這樣的一些發射譜線的認證，幫助我們認識了日冕是高溫、極稀薄的和高電離的物質，它輻射的白光乃是其自由電子對光球輻射的散射。

　　日全食觀測發現，日冕的總體形狀與太陽活動的水平有關，形狀變化的周期與太陽黑子的周期變化相一致。從而可能影響地球的空間環境。更有啟發意義的是，日全食期間有時會觀測到日冕中不同尺度的瞬時活動或變化。

　　人造日全食——日冕儀的發明與應用

　　日全食的觀測還使人們認識到，極稀薄的日冕氣體導致了日冕的極弱的輻射。即使在日冕下部亮度較大的部分，其亮度也只有太陽光球表面中部區域平均亮度的百萬分之一。非日全食期間地球大氣的散射光，再加上望遠鏡鏡筒內的散射光，必然使亮度很低的日冕輻射被完全淹沒而無法看到。

　　這樣，不管是由於好奇心和求知慾驅使，或者實用所需，要想知道日冕的奧秘，除了充分利用日全食提供的機會之外，還必須設法解決在非日全食期間對日冕進行觀測的問題。開發和利用日冕這個知識源的思路之一，是使太陽望遠鏡長時間的飛行在陽光照射月球形成的月影裡，如同總是在地面日食帶一樣。上世紀60年代，美國曾使用飛機作追隨月影的飛行，以便加長日全食的觀測時間，不過從投資、技術設備等方面考慮非永久之計。另一種設想，就是人工造成日食狀態，讓望遠鏡的接收系統能夠感到和記錄日冕的輻射。因此，首先必須設法模仿日食過程，遮擋住太陽光球的強光，還需大量減少地球大氣的散射光，從而使日冕輻射由被淹沒狀態突顯出來。法國天文學家裡奧成功地實現了這種設想。

　　1931年裡奧發明了日冕儀，開啟了人造日食觀測與日全食觀測並行的時代。這種日冕儀的原理是：(1)在望遠鏡鏡筒裡的物鏡焦點處放置一塊圓版，只把太陽光球射來的光遮擋住，並且把擋住的光從鏡筒上的開口反射出去；(2)用光欄和遮板等將望遠鏡鏡片和光欄等產生的衍射光與雜散光截擋住。為了減少地球大氣的散射光，這種日冕儀需要安裝在海拔2千米以上的高山上。因其遮擋光的遮板是置於望遠鏡的筒內，故稱內遮擋式日冕儀。20世紀，裡奧式日冕儀在法國、日本、前蘇聯及美國夏威夷和新墨西哥州等地的高山上紛紛投入觀測。每個晴天，使用這種儀器可以長時間的觀測日冕。為了不同的研究目的，在望遠鏡的終端或光路中可裝上不同的附加設備。實際應用表明，裡奧日冕儀還不能完全避免散射光的影響，應用這種日冕儀最多只能觀測到距日心1.3倍太陽半徑處的日冕。各國的高山日冕儀已投入使用多年，做科學研究性和常規數據性工作。觀測的設備和數據資料向世界開放。

　　再闢新徑相輔而行

　　誠然，用日冕儀可以長時間的監測日冕。然後，正如前面提及的，這種觀測與日全食觀測類似，只限於觀測日面邊緣以外的日冕，觀測到的是日冕邊緣外的日冕在天空背景上的投影。除此之外，如果能夠觀測太陽圓面上的日冕必會大大提高我們認識日冕的能力。例如，可以把日面上與日面邊緣外的日冕觀測結果綜合起來，構造出日冕結構的三維形態，甚至為研究日冕中的物理機制創造條件。這肯定是日冕觀測多年的期盼。

　　以光球為背景觀測日冕，正如在背景強度是信號強度的百萬倍的情況下，來探測日冕信號，如果不改變思路，將會面臨很難克服的困難。這就迫使新的日冕觀測儀器的設計必須另闢新路，單靠散射光強度的減小是無濟於事的。這個新的思路就是拍攝太陽的單色像。這條路不屬於人造日食的主題，但它與日全食觀測、人造日食觀測(高山日冕儀觀測)是相互補充的三個重要手段，值得一提。

　　日冕具有百萬度的高溫，光球的溫度只有6000度。這種差距為日面上的日冕觀測提供了物理依據，那就是在X射線波段、遠紫外波段和射電波段(即無線電波段)日冕的輻射強度大大高於太陽光球的輻射強度。如果在這幾個波段對太陽拍攝單色像，應該可以清楚地顯示出日面上日冕的結構、形態，而無光球的幹擾。考慮到地球大氣對紫外和X射線的吸收，這兩個波段的太陽單色像需要在空間藉助火箭或人造衛星來獲取。

　　射電波段的太陽單色像可以在地面上取得，所用的設備最典型的是，20世紀60年代到80年代在米波單色像觀測方面成果最多的澳大利亞米波日像儀。上個世紀40年代，美國用火箭探測太陽的X射線輻射。1964年用火箭拍到了日冕中低密度的區域(稱為冕洞)。1967年，美國軌道太陽天文臺系列探測衛星之一的OSO-4號首次成功拍到太陽的極紫外單色像。

　　在天上作人造日食觀測

　　在太空作人造日食觀測，簡言之就是把高山日冕儀送上天，觀測日冕。

　　科學技術不斷發展，每前進一步就會有新的問題或新的知識點出現，成為下一項研究工作的動力。這一次輪到的是日冕物質拋射的發現及其推動的相關研究，其中主項之一是用高靈敏大視場的日冕儀作白光觀測。

　　日全食、日冕儀和單色光儀三條路的相輔而行的結果，使得上世紀60年代起又逐漸形成了一個熱點，就是日冕中的瞬變現象，特別是大尺度的快速變化及物質拋射現象和過程。

　　1971年9月OSO-7衛星升空，一架白光日冕儀首次成功觀測到了幾個日冕瞬變或者說日冕物質拋射事件。接著「天空實驗室」在日面邊緣之外的0.5～0.8太陽半徑範圍內，在1973年～1974年的225個觀測日中觀測到了70次白光日冕物質拋射事件(簡稱CME)。此後，美國國防部P78-1衛星觀測到2.5～10太陽半徑範圍內的1200多次CME，「太陽極大觀測」衛星觀測到0.6～6.0太陽半徑範圍內的1300多次CME。大量的觀測資料，提出了CME是什麼，CME是如何形成的以及CME對日地空間有什麼影響的一系列動力性的問題。極大地推進了研究工作，認證了CME是比太陽耀斑還重要的空間環境繞動源。

　　當前正在運行於空間的白光日冕儀有三架，它們搭載於1995年發射的SOHO(太陽和太陽風層探測器)衛星上，這個項目是美國宇航局與歐洲航天局合作的產物。三架日冕儀的視場分別是1～1.3太陽半徑、1.5～6太陽半徑和3～30太陽半徑。

　　三架儀器中視場最小的，仍舊用了內遮擋式日冕儀。而大視場的日冕儀，則用了外遮擋的方式來減小鏡筒中的散射光，以便能拍攝到走得更遠的CME事件。外遮擋式是將遮板置於望遠鏡前面。SOHO的觀測數據不但產生了大量研究成果，而且已經投入空間天氣常規服務工作。

　　人造日食畢竟是人造的日食，它可以用於觀測日冕，研究大尺度大範圍的快速的日冕結構變化及物質拋射事件，但它是望遠鏡鏡筒裡的日食，不能與自然界的日食相比，它決無自然日食的巨大影響力，與有劇烈影響的自然發生的日全食是無法相比的。

　　從日全食到日冕儀，從單色像儀再到太空日冕儀，科學研究也許就是這樣地演繹著事物盤旋上升的發展過程。

責編：白霞