日全食時，別人在看“天狗吃太陽”，他卻在看色球層

編者按：

如果有機會看日食，你會關注什么？

本文的作者正在從事太陽相關的研究，4月初，他也在美國第一次看到了日全食的景象，作為“業(yè)內人”，他眼中的日食是怎樣的？

2024年北美時間的4月8日下午，北美洲大陸上演了今年全球唯一一場日全食。本次日全食可以同時在墨西哥、美國和加拿大觀測到，全日食帶上的常住人口有3200萬人，北美大陸上的居民不少只要走出家門就可以看到這場天象盛宴，可謂是相當幸運。

美國本土下一次能直接觀測到日全食將會在20年后的2044年，因此對于北美大陸的上了年紀的部分人來說，這真的有可能是他們最后一次看日全食的機會了。今年恰逢本太陽11年活動周期的高年（Solar Cycle 25），而且這又是太陽高年（2024-2025）全球唯一一次日全食，因此這次日全食顯得特別彌足珍貴。

學界也相當重視這次日全食，比如在日食帶上的達拉斯舉辦了TESS大會（Triennial Earth-Sun Summit 地球-太陽三年峰會），在圣安東尼奧也有當世最先進的三個太陽觀測儀器（NASA的帕克太陽探針號PSP、ESA的太陽環(huán)繞器Solar Orbiter和位于夏威夷的井上建太陽望遠鏡DKIST。順帶一提，前兩者專為本次太陽高年打造。）聯合舉辦的日全食學術會議（確實就叫這個名字……）。

我參加了這次的日全食學術會議，跟不少同行一起看日食，我們中的大部分人都是第一次看到日全食的景象。

從延時攝影里，我們能明顯看到天色由亮轉暗（再重新亮起來）的過程：

Part.1

太陽沒有被“吃掉”，只是被遮住了

如果月球運動到太陽和地球中間且三者正好處在同一直線，月球就會擋住太陽射向地球的光，從而在地球表面上形成黑影。這就是日食。

月球在地球表面投下的影子可以分為本影（Umbra）和半影（Penumbra）兩個區(qū)域。處于本影區(qū)域內的人們就可以欣賞到可能是肉眼能看到的最壯觀的天象——日全食（Total Eclipse）。相對應的，處于半影（Penumbra）區(qū)內的人們就可以通過日食眼鏡欣賞到日偏食（Partial Eclipse）或者日環(huán)食（Annular Eclipse）。

本影和半影的示意圖

（圖片來源：https://www.businessinsider.com/solar-eclipse-diagram-2017-8）

下圖是本次日全食發(fā)生時，由星鏈衛(wèi)星拍攝到的月球在地球上的影子，深黑部分的是本影區(qū)域。

（圖片來源：https://twitter.com/Starlink/status/1777441354588791206）

Part.2

跟我們一起，看看平時見不到的太陽

日食是觀察太陽結構的好時機。

太陽的大氣結構分四層，但是平時我們能看到的太陽只是發(fā)光的那一層——光球層（Photosphere，Photo是拉丁詞根指代光）。而更多的只能在日食時看見。

太陽大氣結構

在日全食發(fā)生時，月球會完全遮蓋住光球層，這部分的溫度大約是6000攝氏度，根據黑體輻射公式我們可以知道其主要的電磁輻射能量集中在可見光的波段（380納米～750納米）。

當光球層被完全遮擋后，平時被太陽白光掩蓋住的太陽高層大氣就會閃亮登場了，即色球層（Chromosphere，Chromo是拉丁詞根指代顏色）和日冕（Corona，因其形狀近似冠冕而得名）。

1.色球層

在食甚后，日全食天象最抓眼球的特征莫過于月球外的那些星星點點的鮮紅色結構，這就是色球層，其中特別突出的部分被稱為日珥（Prominence）。

色球層是太陽大氣中一層不穩(wěn)定的結構（因此崎嶇不平），它形成的原因依然是部分的未解之謎。色球層是鮮紅色的，原因它的溫度大約是10000～35000攝氏度。在高溫作用下，色球層表面氫原子的電子會被激發(fā)，從而發(fā)生n=3到n=2的的能級躍遷。在這些電子能級躍遷所釋放的電磁波中，波長為656.46納米的巴爾莫線系的H-alpha線在亮度上占絕對優(yōu)勢，因此色球層的顏色呈現出鮮紅色。

事實上色球層相當的薄，一般來說只有2000公里厚，不到太陽半徑的3%。因此，只有當月球和地球的相對運動達到某一特殊的位置，即日全食發(fā)生時，我們才能一睹色球層的真容。

2.日冕

在色球層之外，我們還能看到一層淡淡的白色結構，因為形狀像冠冕，因此被命名為日冕。

盡管無法被肉眼觀測，在日全食發(fā)生的時候如果用多張低曝光照片合成的話，我們是可以用相機拍攝到至多延伸到20個太陽半徑的日冕的。上圖中我們可以看到此時正值太陽高年，冕環(huán)（Coronal Loop）、盔狀流（Helmet Streamer），偽盔狀流（Pesudo-Streamer）和日冕羽流（Plume）遍布整個太陽表面。

左為2019南美日全食，右為2023澳洲日全食

（攝影師：2019 Miloslav Druckmüller, Peter Aniol；2023 Pavel ?tarha, Shadia Habbal, Miloslav Druckmüller）

上面兩張日冕圖片展現了當今人類日食攝影的最高水準。太陽活動周期由太陽表面的黑子數量來確定，2019年是第25太陽活動周期的第一年，也是活動最弱的一年。可以看到日冕展現出教科書一般的標準結構——在黃道面上有大尺度的盔狀流，而南北極區(qū)都是羽流所對應的開放磁力線。而2023年已經進入太陽活動高年，可以看到羽流延伸到四面八方，而且在圖片的左下角我們甚至能看到一個日冕物質拋射（Coronal Mass Ejection/CME）。

日全食和日冕儀對比

（攝影師：2015 Miloslav Druckmüller, Shadia Habbal, Peter Aniol, Pavel ?tarha & ESA, NASA）

大家可能會很好奇，現在科技那么發(fā)達，難道科學家不能隨時看到日冕嗎？答案是：能，也不能。上圖就是2015年法羅群島日食的日冕對比圖，左邊是日全食攝影，右邊是在NASA SOHO飛船上的LASCO日冕儀的影像?？梢钥吹接稍铝琳趽醯奶柨梢宰屛覀兛吹竭h多于日冕儀的細節(jié)，此外日冕儀只能看到兩個太陽半徑外的日冕，日全食仍是我們觀測兩個太陽半徑內日冕的唯一手段。

Part.3

叮！請查收日全食（不完全）觀測預告

如果你錯過了這次日食，其實也不用感到太遺憾。

下一次日全食將會在2026年8月12號上演。如果想觀測這次日食，可以去格林蘭島、冰島的西岸附近的海上或是西班牙和葡萄牙的一部分區(qū)域。

值得注意的是，在西班牙和葡萄牙，這次日食將會在日落時分發(fā)生——想象一下盛夏的西班牙，大西洋海岸的日落時分，月亮和太陽遵守著百萬年前的約定，在此相蝕，怕是相當浪漫吧（笑）。

如果想在國內看到日全食，那么2034年和2035年分別各有一次。2034年的日全食將會在青藏高原西部的日落時分上演，而2035年的日全食可以在北京附近看到食甚。

不知道看完這篇文章的你，下次日食會看到什么呢？

來源：科學大院公眾號