99年一遇的美國超級日全食？
是的，你沒聽錯！2017年8月21日，日全食99年來將首次橫跨美國全境，是美國人民的RP值又一次爆發？還是天佑川帝？！呵……
據美國國家航空航天局（NASA）預測，此次日全食將於太平洋夏令時8月21日上午9:05率先降臨在俄勒岡洲的林肯海灘，到10:16在俄勒岡州完全展開，依次通過、愛達荷州、懷俄明州、蒙大拿州、內布拉斯加州、愛荷華州、堪薩斯、密蘇裡州、伊利諾州、肯塔基州、田納西州、喬治亞、北卡羅萊納州、南卡羅來納州，形成一條寬度約70英裡的「日全食帶」，塞勒姆市、堪薩斯城、哥倫比亞市等大城市都能看到日全食。到了東部夏令時下午2:48在南卡羅來納州查爾斯頓附近結束陸地觀看窗口，完全結束時間為東部夏令時下午4:09。
天公也作「美」！這次日全食出現時機非常好，夏季雷雨即將結束並南下，北美季風（亞利桑那季風）暫停，容易產生風暴的高速氣流還沒從加拿大南下，少雲、乾燥的天氣，非常適合觀看日全食。
作為一名美國阿貢國家實驗室的物理博士後和天文迷，普西文的科學導師洪然博士（Dr. Hong）怎可錯過這個機會，這不，他愛心滿滿地披掛上陣，要帶小夥伴們一起來看看這個百年難遇的奇觀。（篇末附觀賞辦法和參與現場直播，千萬不要錯過哦！）
2017年8月21日，我們地球人又有幸可以經歷罕見的天文奇觀——日全食。
天朗氣清，豔陽高照，突然你會發現周圍漸漸暗了下來，仿佛到了傍晚；再過一段時間，天空也慢慢變暗，抬頭一看，哇！太陽居然變成了月牙形；再過一會，太陽完全消失，如同黑夜一般，天空中居然出現了星光；過不了幾分鐘，太陽又漸漸出現了，越變越大，恢復成了原來的樣子。天空依然湛藍，大自然依然生機勃勃！
這麼神奇的天象，聽著就想親自體驗一下。
只可惜，日全食並不是經常發生的事。據說，如果一個人站在一個地方不動，估計要等幾百年才能見到一次日全時。所以，當日全食發生的時候，總會有人跋山涉水，翻山越嶺跑去觀看。
這次，8月21號在美國的好多地區都可以看到日全食。離我的居住地芝加哥最近的地點開車只需要5個小時，於是我非常堅定的請了一天假，準備跑去看日全食。這些天來，在準備觀看日全食的時候，我覺得不應該僅僅準備器具，也需要補一補腦。
所以我把自己過去關於日食的知識梳理了一下，發現了很多有意思的問題。在這裡，我會把這些有趣的小知識分享給大家，同時也介紹一下我是如何準備觀看日全食的。如果未來有幸日全食能發生在你周圍，大家也可以有充分的準備。
中國有句成語：「一葉障目，不見泰山」。
說的就是一片樹葉擋住了眼睛，連面前高大的泰山都看不見。不過古人關注的更多是這句話的比喻意義，教人不要目光短淺。而我的這顆理科腦袋，首先想到的是「光沿直線傳播」、「距離越遠視角越小」。
我們所說的「近大遠小」，描述的也是這個原理。泰山很大，但是很遠；樹葉很小，但是把它放在眼前的話，它的視角會比泰山還大，所以就把泰山擋住了，其實日食也是一個原理。
太陽的半徑是月球半徑的約400倍，太陽到地球的距離也是月球到地球距離的約400倍。所以太陽和月亮看起來是差不多大的。所以，當月球剛好運行到地球和太陽中間的時候，月亮可以把太陽給全部擋住。這個時候就發生了日全食。可以說是「一月障目，不見太陽」。
並不是每次發生日食的時候都可以看到日全食。有的時候月球看起來只是從太陽的一側擦肩而過，擋住了太陽的一部分。這種現象叫做日偏食。有的時候月球會裡離地球比較遠，只能擋住太陽的中心部分而不能全部擋住。這時候太陽看起來像一個閃閃發光的金色手鐲，所以叫日環食。
其實想模擬日食的效果並不難，只需要找一個圓圓的東西，例如網球、桌球，把太陽剛好遮住就行了。如果你離你拿的球很近，它會把整個太陽都擋住，你就當看見了日全食；如果你離你拿的球稍微遠一點，它只能把太陽的中央擋住，你就當看見了日環食；如果只擋住了太陽的一側，你就當看見了日偏食。
在拍攝日偏食和日環食的時候，最好用濾光片把太陽的光強減弱。這時周圍景觀都看不見了，只有太陽光足夠強，可以通過濾光片，所以拍出來只有紅紅的太陽。怎麼樣？這樣拍攝出來的日偏食可以以假亂真了吧？
記得小時候看動畫片「海爾兄弟」，對主題曲的那幾句話印象深刻：「為什麼打雷要下雨？為什麼有冬和夏天？不知道的奧秘萬萬千千，智慧簡單，又不簡單」。說到日食，這裡面還真有不少玄機。
上面提到，發生日食的時候，月球正好在地球和太陽之間：日、地、月要「三點一線」。什麼時候月球會在地球和太陽之間呢？在這個時候，月亮應該是隨著太陽一起升起，一起落下，所以晚上我們應該是看不見月亮的，月相應該是「朔月」。所以，日食如果發生，一定是發生在農曆每個月的月末或月初，也就是朔月或新月，美國的8月21日對應的是北京時間8月22日，正好是農曆七月初一，月相是新月。
那麼問題來了：為什麼不是每個月的朔（新）月都會發生日食呢？
其實原因也很簡單。我們都知道地球繞著太陽轉，月亮繞著地球轉。但是月球繞地球的軌道平面（白道平面）並不與地球繞太陽轉的軌道平面（黃道平面）重合，兩者有5度9分的差別。所以，月球的軌道只有兩個點是在黃道平面上的：升交點和降交點，他們對應的是月球從南向北和從北像向南穿過黃道平面的點。也就是說，只有月球處在這兩個點的時候，它才在地球饒太陽的軌道平面上，才有可能發生日食。
但是，這兩個交點並不是總是在地球和太陽之間。在一年裡，只有兩個時間段，月球的升交點和降交點正好處於地球和太陽之間。如果月球剛好在這個時間段運行到地球和太陽之間，就會發生日食。這兩段時間也被稱為「食季」，每個食季持續約34天。這個持續時間比月球的周期（約28天）稍微長那麼一點點，所以在每個食季，月球總會在穿過赤道平面時剛好處於地球和太陽之間，從而產生日食。
我們有幸生活在了這樣的一個日-地-月系統中，如果月球周期再長一些的話，我們想看日食就更困難了。2017年的食季是2月和8月，我有幸能在這個食季觀看日全食。懶著不願意動的人，也可以老老實實的呆在芝加哥看日偏食，前提是天氣要好。
根據我上面的解釋，月球離地球近的時候會發生日全食，月球離地球遠的時候會發生日環食。那為什麼在地球上我們既會看見日全食，也會看見日環食呢？是因為月球有時離我們近有時離我們遠嗎？答案正是這樣！
月球的軌道是橢圓的，而地球在這個橢圓的一個焦點上。所以月球在繞地的一個周期內，確實會有時離地球近，有時離地球遠。離地球最近的點叫「近地點「，離地球最遠的點叫」遠地點「。恰巧，要讓日全食發生的地月最大距離正好比地-月最短距離大，比地-月最大距離小。這樣，當發生日食的時候月球離近地點比較近，發生的就是日全食；離遠地點比較近，發生的就是日環食。總體來說，發生日環食的機率要比日全食大一些。
長久以來，我一直以為日全食與日環食不可能同時發生。但最近我查找了一些科普資料後，發現日全食和日環食確實可以在同一次日食中發生。它叫做」混合食「，更為罕見。發生混合食的時候，地球表面剛好處於月球的本影區和偽本影區的交界處，這時候月球恰好遮住太陽的全部，再遠一點就遮不住了。因為地球是圓的（凱裡-歐文的粉絲可以無視這句話），所以在日全食發生之後，月球運動了一段距離，地球上的其他位置就裡離月球遠了一些了，進入了偽本影區，那裡的人們就能看到日環食了。
備註：因地而異，有些地區看得到日全食，有些看得到日環食，也有些地區只能看到日偏食。
這麼看，如果一個人站在一個地方不動，即使在混合食發生時，也是要麼看見日全食，要麼看見日環食。如果你想兩者都看到，就要開著跑車追逐月亮的影子。你會看見環食-全食-環食的變化。不過，月球的影子在地面的速度約2000千米/小時 ，所以開跑車應該是追不上了，F22戰機還差不多。當然，殲-20也是可以的！
上面提到的這些不過是和日食有關的所有知識的冰山一角。因為日食涉及到了日-地-月三個天體，想計算它發生的時間，地點，種類，以及日食發生的規律要比解釋四季交替或者月相變化這類的自然現象要複雜得多。
月球的軌道除了上面提到的黃白交角以及橢圓形狀外，還有許多其他特徵。例如，月球橢圓軌道的長軸也是在繞著地球旋轉的。這個現象被稱為月球軌道的「進動」。正是這種運動造成了月球軌道與黃道平面的交點時而與地球遠，時而與地球近，讓日環食-日全食的交替發生。有興趣的朋友們可以查閱更專業的書籍，了解現今人類是如何精確計算和語言日食的發生的。
日食各個階段的稱謂
日全食固然壯觀，但是它在科學上的意義遠遠超過其「罕見」以及「好看」。
舉兩個例子：
首先，我們平時看到的太陽只是太陽的光球層。光球層的溫度約5780開爾文（攝氏溫度=開爾文溫度-273.15度）。在光球層裡無時無刻不在發生著核聚變，產生能量，發光發熱，我們看到的太陽光就是這一團高溫等離子體發出的光。如果我們抬頭看太陽，看到的也只是它的光球層。
其實，在光球層之外還有色球層。色球層的密度要比光球層小，其中沒有發生核反應，只發出微弱的紅光。色球層發出的光要比光球層弱很多，所以用肉眼幾乎無法分辨，需要有H-alpha濾光鏡才能看到這一層。
在色球之上，還有日冕。日冕的溫度達到300多萬開爾文，但是它的密度非常小，所以它發出的白光平時也是看不到的，它被完全掩蓋在天空的背景散射光中。日冕的溫度為什麼這麼高？至今這個問題也沒有得到完美的解釋。許多做這方面的物理學家和天文學家都非常希望能更好的觀察日冕，了解它的組成成分和運動規律，日全食正好提供了這個研究機會。
在日全食發生的時候，月球會把太陽的光球層完全擋住。因為太陽光被擋住，天空也會變黑。沒有了天空的幹擾，日冕就可以被我們看到了。我們用肉眼看到的，就是天上一個「黑洞」（月亮），周圍有一圈白光。
科學家們用更先進的望遠鏡可以在這段時間記錄觀測到的日冕形狀和結構的變化以了解其運動規律，還可以分析日冕的光譜來了解它的組成成分。通過對比多次日食時對日冕的觀測，科學家還可以得到更多的信息。所以每一次日食，都是一次絕好觀察日冕的機會。同樣的原理，在日全食的時候我們也可以看到色球層的一部分。
第二個例子，與廣義相對論的證實有關。1915年，愛因斯坦發表了革命性的廣義相對論，把引力與時空的彎曲聯繫了起來。但是這種超前於當時人們認知的理論很難被科學家們接受，除非有確鑿的實驗證據。
但是廣義相對論的效應需要在非常強的引力場中才會比較明顯。例如根據廣義相對論，光線在通過恆星產生的強引力場後會彎曲。所以，遙遠的恆星發出來的光在經過太陽時會偏轉一定的角度。在我們看來，這些恆星在天空中的位置變化了。離太陽越近，偏轉得越多。
但是這種效應平時是無法觀測的，因為明亮的天空會完全掩蓋微弱的星光。但是，當日全食發生的時候，天空變暗了，不就可以看見星星了嗎？
於是，英國科學家亞瑟·愛丁頓爵士等人在1919年的日全食發生的時候，遠赴非洲，拍攝了日全食的照片，記錄了日全食發生的時候在太陽附近的恆星的位置。果然，他證實了那些離太陽很近的恆星的位置發生了偏移，也就證實了光線通過太陽的強引力場時發生的偏轉，讓廣義相對論更加有說服力。有興趣的朋友可以去看一下《愛因斯坦與愛丁頓》這部電影。
中國也有句古話：「工欲善其事，必先利其器」。
想更好地觀看日全食，需要準備些什麼東西呢？
首先，大家要注意，千萬不要用肉眼直視太陽，更不要用望遠鏡直接對著太陽看！大家小時候玩過用放大鏡聚光的遊戲吧？用一個小放大鏡聚的光可以把紙點著火，何況人眼乎？
要想安全地觀察太陽，一定要有專業的太陽濾光片。這種濾光片看起來是不透明的，透過率非常低，只有太陽光這麼強的光才可以通過。透過它看到的太陽，是非常柔和的紅色。當月球在視野中開始與太陽重合的時候，我們就可以透過濾光片觀看「殘缺的太陽」了。
太陽濾光片在許多網站上都可以買到，例如Amazon。在網上大家也可以買到已經裝好濾光片的眼鏡，穿戴起來更加方便。
對拍照感興趣的朋友，最好是用單眼相機拍攝日食的壯觀景象。
鏡頭最好選擇可以變焦到200mm的鏡頭（當然焦距越長越好）。用單眼相機拍照的時候也是要使用濾光片的，當然我們可以花大價錢購買與鏡頭匹配的濾光片，方便安裝和拆卸。
如果今後不經常拍太陽，可以購買10cm見方的濾光片，然後用膠帶固定在鏡頭上。不要忘記帶三腳架對相機進行固定啊！不然你就要一直舉著相機對著太陽拍了。
DIY Solar Filter
在用肉眼觀看和相機拍照的時候，我都強調了要用濾光片。但是在月球完全擋住太陽的時候（食甚），可以完全拿掉濾光片。食甚一般只會持續2分鐘左右，請抓緊時間觀看、拍攝、享受美麗的日冕和白天的星光吧。
如果用肉眼觀看和相機拍攝還是無法滿足你的需求的話，可以考慮購買一個「太陽望遠鏡」。它是專門用來觀察太陽的，有內置的濾光片，無需擔心在觀測過程中濾光片脫落導致強光傷害眼睛，便宜的太陽望遠鏡100美元左右就可以買到。在使用它時，按照說明書把物鏡和目鏡安裝好，然後把望遠鏡固定在三腳架上，調整角度讓準星的陰影落在靶心。
這時候從目鏡中就可以看到太陽了：看起來是個圓圓的光球。這時候太陽可能不在視野的中心，我們只需要略微調整望遠鏡的角度即可。其實望遠鏡裡看到的場景也是可以拍照的，用手機上的攝像頭即可。把手機的攝像頭對準目鏡，找到目鏡中太陽的位置，然後拍照。不過這是個非常需要技巧的活，手稍微一抖動就會拍不到太陽。所以有興趣的朋友需要多多練習，以免在日食的時候浪費時間。
購買太陽望遠鏡除了觀看日食，還可以用它來看太陽的黑子，也可以觀看更加罕見的水星凌日（再等2年），和更更罕見的金星凌日（再等整整100年吧！大家注意保重身體！）。
水星凌日 金星凌日
不過，太陽望遠鏡的濾光片很難拆下來，所以無法在食甚的時候觀察日冕。感興趣的朋友可以買一個夜空望遠鏡，用它可以觀看食甚時的日冕和太陽附近的恆星。
中國古代不僅有許多成語，也有許多傳說。我記得小時候就聽過一個關於日食的傳說：「天狗食日」，好像還有一個動畫片講的這個（動畫片裡的天狗畫得很恐怖）。說的是古代人以為日食是「天狗」（天上的一條大狗？）把太陽吃了。人們便出來敲鑼打鼓放鞭炮把天狗嚇的把太陽吐出來。確實，鼓敲了一陣子太陽就出來了，所以許多人也就真信了。
雖然現在我們看這個傳說覺得很荒誕，但是我們今天不少人還是會犯相同的錯誤：兩件事情在時間上有先後，就一定有因果。顯然，現在沒人敲鑼打鼓，日食後太陽還是太陽。在古代人們也會把日食當作是不吉利的象徵，或者是對帝王的警示。發生了日食，帝王就要檢討一下自己是不是幹了啥壞事，趕緊懺悔一下。如果天官算著某一天該發生日食卻沒發生，那一定是因為皇帝功德無量啊。
不知道這次日食發生時，各位巫師、星座大師會不會出來給大家講一下這幾天都需要注意什麼，諸如手機最好別充電，汽車最好別加油，中午最好別吃飯，在微信上轉發平安符保佑全家平安等等。不少朋友也就抱著「寧可信其有，不可信其無」的心態信了，也照著做了。
最後希望各位讀者朋友們能對下面的這件小事，也「寧可信其有」吧：
在8月21日前將本文轉發到微信朋友圈，可以提升朋友們對你的好感99%！
- THE END -
附 錄
下次日全食時間表
2019年7月2日：日全食傍晚時分抵達南美洲，智利、阿根廷將看到日落中日全食
2020年12月14日：日全食再次降臨智利與阿根廷
2021年12月4日：南極洲（還是靠近智利、阿根廷的南極區域）
2023年4月20日：澳大利亞北面海洋，巴布亞紐幾內亞
2024年4月8日：墨西哥，美國
……
2034年3月20日：北非，西亞，中國青藏高原
中國境內出現日全食最早也要2034年3月20日，不過屆時青藏高原大雪封山，難以進入。想要中國境內看到日全食最快也要到2035年9月2日，屆時日全食將會貫穿中國北部，酒泉、包頭、大同、北京、唐山、青皇島等城市都能看到。在2018年8月11日、2019年1月6日、2019年12月26日、2020年6月21日中國境內還會出現日偏食、日環食。
全球第一張日全食照片
1851年7月28日，約翰·朱利葉斯·弗裡德裡希·貝爾科夫斯基（Johann JuliusFriedrich Berkowski）拍攝了全日食的第一張照片，拍攝地點位於普魯士Konigsberg皇家天文臺，現在在俄羅斯加裡寧格勒。
好奇號火星車觀測到的日食環
這張照片拍攝於2013年8月20日，每張照片拍攝時間間隔3秒，當時火星最大衛星火衛一正掠過火星和太陽之間。
作者簡介
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