丨作者：李會超（ 中國科學院國家空間科學中心）
日全食（圖片來自網路）
日全食， 也許是最為大眾熟知的天文現象。 當月球處於地球和太陽之間時，
美國當地時間8月21日， 一場日全食光顧美國。 從美國西海岸的俄勒岡州到東海岸的南卡羅萊納州， 日全食沿著一條寬度約為110公里的日食帶， 橫跨美國的14個州。
在不清楚日食成因的年代， “天狗吃太陽”的傳說會讓人們在日全食出現時驚慌失措。 而今， 日全食已經變成了一場全民天文盛宴。
美國人民早早地就採購裝備、計畫旅行， 希望能夠親眼目睹這一世紀奇觀。 美國交通部甚至要提前謀劃日食期間的交通疏導措施， 避免紮堆觀看日食的車輛造成全國範圍的大堵車。
圖：日食帶過境美國的示意圖， 紅線之內的區域都能一睹日全食的奇觀
日冕——太陽風暴的“策源地”
我們平常在天空中看到的太陽耀眼的光芒， 大部分都來自於太陽的光球層。 這裡也是我們定義的太陽表面。 在光球層之上， 還存在著一個名叫“日冕”的區域。 這裡， 是太陽風暴的“策源地”。
當太陽風暴爆發時， 大量的磁場能量像核彈爆炸一樣， 在短時間內集中釋放， 轉化成太陽風暴向太空中奔襲的動能。 美麗絢爛的極光， 就是太陽風暴吹襲地球時帶來的“禮物”。
但與此同時， 太陽風暴更會對與人類生活息息相關的領域產生嚴重的影響。
例如， 太陽風暴中的高能粒子可以讓衛星上的電腦死機甚至徹底癱瘓。
太陽風暴（圖片來自網路）
太陽風暴引起的地球高層大氣加熱會加劇天宮二號、天舟一號等近地飛行器軌道上的大氣阻力， 飛行器將不得不耗費更多燃料維持軌道。
太陽風暴引起的地球磁場變化， 會在地面上的高壓電網中產生強大的異常電流， 造成大面積停電。
太陽風暴引起的電離層擾動將會對我們導航定位的GPS信號產生干擾， 也會讓船舶、飛機依賴的長距離無線電通信受到影響。
圖：夏威夷大學的研究者于2015年在北極拍攝的日食的圖片， 向四周延伸的結構即為日冕， 日冕底部還能看到由於月球地形而形成的貝利珠
從日食中開始的日冕研究
要想弄清楚太陽的“脾氣”， 預知太陽風暴的爆發， 減輕太陽風暴對我們的影響， 就要對日冕進行細緻的觀察和研究。 然而， 平日裡， 日冕被太陽光球耀眼的光芒所遮擋， 難以進行有效的觀測。
日全食發生時， 由於月球對光球的遮擋， 平日裡暗淡的日冕便會出現在太陽周圍， 使人們能夠一睹它的真容。
在日冕儀出現之前，日全食是科學家們進行日冕研究觀測的主要時機。
1860年，天文學家坦普爾來到西班牙觀測一次日全食。
與其他日全食期間的觀測記錄相比，坦普爾的記錄顯得十分特別，因為日冕附近出現了一個少見的圓環狀結構。
當今天研究者們對太陽風暴爆發時的形態有了深入的認識後，坦普爾的這次觀測被普遍認為是，人類歷史上首次親眼捕捉到了太陽風暴的蹤跡。
圖：2003年SOHO飛船上的日冕儀拍攝到的日冕物質拋射圖像
圖：1860年的日食觀測，右下角的環狀結構被認為是最早的日冕物質拋射觀測
而在1879年的一次日食觀測中，美國天文學家查理斯·楊懷著卻被太陽坑了一把。
他在日冕中找到了一種“新”的元素，其光譜發射線是之前從未見到過的。這種元素被命名為“coronium”，即日冕的英文單詞“corona”和表示金屬元素的詞根“ium”的組合。
在之後60年的時間裡，不少科學家對“coronium”的性質做了研究和推測，但最終憂傷地發現，這是太陽跟人類開的一個玩笑。
其實，它並非一種真實存在的元素，那種從未見過的光譜發射線，實際上是高度電離的13價鐵離子發出的。
在地球上，我們常見的鐵離子一般為2價或3價，即鐵原子失去了2-3個電子。而日冕上的鐵離子竟然被生吞活剝地弄走了13個電子！這意味著那裡的溫度高達數百萬度。
這是一個與我們的常識相悖的發現。
如果你在野外撐起烤箱，準備進行一次開心的燒烤時，你肯定會把要燒烤的食材盡可能得靠近烤箱上的木炭，因為距離熱源越近溫度越高，食物就能獲得更好的加熱效果。
太陽最靠裡的區域中，核聚變反應像烤箱裡燒紅的木炭一樣，產出了太陽發射的幾乎全部能量，溫度高達數千萬度。從那裡到太陽表面的光球，溫度逐漸降低到數千度。
然而在光球以上，奇怪的事情發生了：
隨著距離的增加，溫度非但沒有降低，反而從光球的幾千度急劇的增高到了日冕的數百萬度。
圖：日冕加熱（圖片來自網路）
這種現象不會平白無故的發生，日冕一定是從什麼地方獲取了溫度增加的能量。
空間物理學界提出了“波動理論”和“磁重聯理論”來解釋日冕加熱的過程。然而，這兩種理論都不完備，都只能解釋一部分觀測現象。
不可替代的觀測良機
現在，我們已經可以通過日冕儀來製造人工日食，進行常規性的日冕觀測，而不用苦苦等待下一次日全食的到來。在我們監測太陽的SOHO飛船、STEREO飛船上，都裝備了這種儀器。
圖：SOHO飛船發佈在網站上的即時日冕觀測
但日冕儀有著固有的缺陷：
為了不至於讓太陽的強光燒毀敏感的探測器，日冕儀的遮擋的範圍要比太陽光球大一些。
圖：SOHO飛船使用的LASCO日冕儀
如果我們將太陽中心到光球表面的距離定義為1個太陽半徑的話，SOHO飛船最低能夠觀測到1.1個太陽半徑，STEREO飛船最低能夠觀測到1.3個太陽半徑。
這讓從太陽表面到1.1個太陽半徑的區域成為了“日冕儀盲區”。
而這個盲區，恰好又是日冕加熱過程發生的關鍵區域。只有獲得了關於這個區域的觀測資料，才有希望解開日冕加熱機制的謎團。
圖：SOHO飛船拍攝的日冕圖像，圖中有一片純藍色的區域，就是沒有資料的日冕儀觀測盲區
日全食發生時，存在一個有趣的巧合：
太陽的半徑大約是月球的400倍，而太陽到月球的距離也恰好約是月球到地球距離的400倍。因此，月球遮擋的範圍幾乎精確的等於1個太陽半徑，而沒有往外擴展。
這使得科學家們獲得了“日冕儀盲區”難得的觀測機會。
相比于衛星觀測，日食期間的地面觀測還具有觀測解析度更高的優勢，將會對我們建立更精確的日冕大氣模型提供依據，從而能更好的預測太陽風暴的產生。
超級日全食——全民參與，科學相伴
早在此次美國的日食到來之前，美國的研究者們就已經做好了充足的準備。除了常規性的地面觀測外，他們還動用了一架灣流V型噴氣式飛機，飛到萬米高空，來觀測到被大氣層阻隔的紅外信號。
科學家們還動員遍佈全美的業餘天文愛好者，通過“美洲大陸公民望遠鏡日食”（CATE）專案提交它們拍攝到的日食照片，讓科學家們能夠綜合掌握日冕在日食隨時間變化的情況。
用來觀測日是的灣流V型噴氣式飛機，也許是最酷的觀測平臺了！
既有全民參與的熱情，又有前沿科學的產出，日全食觀測也許是完美的科學研究活動形態的一個範本。
（文章首發於科學大院，轉載請聯繫cas@cnic.cn）
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使人們能夠一睹它的真容。在日冕儀出現之前，日全食是科學家們進行日冕研究觀測的主要時機。
1860年，天文學家坦普爾來到西班牙觀測一次日全食。
與其他日全食期間的觀測記錄相比，坦普爾的記錄顯得十分特別，因為日冕附近出現了一個少見的圓環狀結構。
當今天研究者們對太陽風暴爆發時的形態有了深入的認識後，坦普爾的這次觀測被普遍認為是，人類歷史上首次親眼捕捉到了太陽風暴的蹤跡。
圖：2003年SOHO飛船上的日冕儀拍攝到的日冕物質拋射圖像
圖：1860年的日食觀測，右下角的環狀結構被認為是最早的日冕物質拋射觀測
而在1879年的一次日食觀測中，美國天文學家查理斯·楊懷著卻被太陽坑了一把。
他在日冕中找到了一種“新”的元素，其光譜發射線是之前從未見到過的。這種元素被命名為“coronium”，即日冕的英文單詞“corona”和表示金屬元素的詞根“ium”的組合。
在之後60年的時間裡，不少科學家對“coronium”的性質做了研究和推測，但最終憂傷地發現，這是太陽跟人類開的一個玩笑。
其實，它並非一種真實存在的元素，那種從未見過的光譜發射線，實際上是高度電離的13價鐵離子發出的。
在地球上，我們常見的鐵離子一般為2價或3價，即鐵原子失去了2-3個電子。而日冕上的鐵離子竟然被生吞活剝地弄走了13個電子！這意味著那裡的溫度高達數百萬度。
這是一個與我們的常識相悖的發現。
如果你在野外撐起烤箱，準備進行一次開心的燒烤時，你肯定會把要燒烤的食材盡可能得靠近烤箱上的木炭，因為距離熱源越近溫度越高，食物就能獲得更好的加熱效果。
太陽最靠裡的區域中，核聚變反應像烤箱裡燒紅的木炭一樣，產出了太陽發射的幾乎全部能量，溫度高達數千萬度。從那裡到太陽表面的光球，溫度逐漸降低到數千度。
然而在光球以上，奇怪的事情發生了：
隨著距離的增加，溫度非但沒有降低，反而從光球的幾千度急劇的增高到了日冕的數百萬度。
圖：日冕加熱（圖片來自網路）
這種現象不會平白無故的發生，日冕一定是從什麼地方獲取了溫度增加的能量。
空間物理學界提出了“波動理論”和“磁重聯理論”來解釋日冕加熱的過程。然而，這兩種理論都不完備，都只能解釋一部分觀測現象。
不可替代的觀測良機
現在，我們已經可以通過日冕儀來製造人工日食，進行常規性的日冕觀測，而不用苦苦等待下一次日全食的到來。在我們監測太陽的SOHO飛船、STEREO飛船上，都裝備了這種儀器。
圖：SOHO飛船發佈在網站上的即時日冕觀測
但日冕儀有著固有的缺陷：
為了不至於讓太陽的強光燒毀敏感的探測器，日冕儀的遮擋的範圍要比太陽光球大一些。
圖：SOHO飛船使用的LASCO日冕儀
如果我們將太陽中心到光球表面的距離定義為1個太陽半徑的話，SOHO飛船最低能夠觀測到1.1個太陽半徑，STEREO飛船最低能夠觀測到1.3個太陽半徑。
這讓從太陽表面到1.1個太陽半徑的區域成為了“日冕儀盲區”。
而這個盲區，恰好又是日冕加熱過程發生的關鍵區域。只有獲得了關於這個區域的觀測資料，才有希望解開日冕加熱機制的謎團。
圖：SOHO飛船拍攝的日冕圖像，圖中有一片純藍色的區域，就是沒有資料的日冕儀觀測盲區
日全食發生時，存在一個有趣的巧合：
太陽的半徑大約是月球的400倍，而太陽到月球的距離也恰好約是月球到地球距離的400倍。因此，月球遮擋的範圍幾乎精確的等於1個太陽半徑，而沒有往外擴展。
這使得科學家們獲得了“日冕儀盲區”難得的觀測機會。
相比于衛星觀測，日食期間的地面觀測還具有觀測解析度更高的優勢，將會對我們建立更精確的日冕大氣模型提供依據，從而能更好的預測太陽風暴的產生。
超級日全食——全民參與，科學相伴
早在此次美國的日食到來之前，美國的研究者們就已經做好了充足的準備。除了常規性的地面觀測外，他們還動用了一架灣流V型噴氣式飛機，飛到萬米高空，來觀測到被大氣層阻隔的紅外信號。
科學家們還動員遍佈全美的業餘天文愛好者，通過“美洲大陸公民望遠鏡日食”（CATE）專案提交它們拍攝到的日食照片，讓科學家們能夠綜合掌握日冕在日食隨時間變化的情況。
用來觀測日是的灣流V型噴氣式飛機，也許是最酷的觀測平臺了！
既有全民參與的熱情，又有前沿科學的產出，日全食觀測也許是完美的科學研究活動形態的一個範本。
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