(本文已刊载于《时代周报》2009年7月6日C06版)

Shea

  没有哪一种天象能像日食那样对于世俗文化具有这么大的冲击力。尤其是当日全食发生的时候,白昼在顷刻间变成黑夜的场景更是让人不禁颤栗。《诗经·小雅·十月之交》中写道:“十月之交,朔月辛卯。日有食之,亦孔之丑。”意思是说,十月初一辛卯日,天上有日食发生,这是不祥的征兆。在中国古代,日食被当成是上天的警告,格外受到帝王的重视。因此也就有了《尚书·胤征》中所记载的夏朝御用天文学家羲和酗酒误事未预报日食而被杀头的故事。

  时间到了近、现代,日食已经完全没有了古时候政治上的象征意义。对于普通大众和科学家而言,它的“娱乐”意义和科学意义倒是有增无减。今年的7月这一自然界最壮观的景象就会出现在神州大地之上。

年度日全食大戏

  2009年7月22日将出现近20年来持续时间最长的日全食,最长持续时间6分39秒。如果要找比这更长的,那就要回到1991年7月11日的墨西哥日全食,当时最长持续了6分53秒。

  在此次日食中,月球的影子首先会降临在印度的西部。日全食带会穿过尼泊尔、孟加拉国、不丹以及缅甸。20分钟之后,月影就会进入中国境内。首当其冲的是成都、重庆,然后取道武汉、合肥,接着途经苏州、杭州,最后从上海出境。月影在中国境内的行程大约历时25分钟,其日食带中心线会从上海的南边经过,这意味着在那里可以看到长达5分56秒的日全食。之后日全食带会经过日本的一些岛屿,最后在太平洋上出现持续时间最长达6分39秒的日全食。


[图片说明]:只有在日全食时可见的日冕和日珥。

  不过,观看日全食也需要“靠天吃饭”。如果有云的遮挡,那么效果就会大打折扣。气象资料显示,我国大部分地区7月的云量大约是50%-60%。虽然存在变数,但总体尚可。

  在日全食发生的过程中,月球会逐渐地遮挡太阳。在日全食发生前那一刻,也就是太阳即将被月亮挡住的那一瞬间,日面的边缘会出现一串犹如珍珠一般夺目的亮点。这就是只有在日全食时才能看到的倍利珠,它是由于阳光透过月球表面有起伏不平的山峰所造成的,整个过程只持续1到2秒。

  紧接着太阳整个会被月亮遮挡,日全食正式开演。天空变得昏暗,恒星出现,在太阳附近还能看到难得一见的水星。地面温度会有一定下降,一些鸟儿甚至还会回巢。这时太阳周围会出现一个淡红色的光圈,这就是它的色球层。如果运气好,还能看到从太阳表面伸出的长达几万千米的粉红色日珥。在太阳的外围还能看到巨大的白色羽毛状日冕。这些平日里只有使用特殊天文仪器才能看到的景像,在日全食时都可以尽收眼底。这也正是那些现代“夸父”不远万里追逐日全食的原因。

  特别提醒:在除日全食以外的任何阶段使用没有专业减光措施的望远镜观看太阳都有可能会造成永久性失明!!

愉快的巧合

  在观赏这一壮丽景象的同时,不禁要问为什么会发生日全食?这一切都要归功于太阳和月亮的“大小”正好契合。太阳的直径大约是月亮的400倍,而太阳到地球的距离也正好是月亮的400倍。这两者“此消彼长”就使得太阳和月亮在天空中看上去具有同样的大小。对于太阳系的其他行星而言,不是卫星太小无法遮挡住整个太阳,就是卫星太大可以挡住好几个太阳。难道这纯属巧合?

  绝大部分天文学家的观点是肯定的。但这些数字背后也许还隐藏着不为人知的一些“天机”。月球是相当“与众不同”的。通常情况下行星的卫星是通过两种方式形成的。在太阳系形成的初期,行星会通过引力把物质吸积到自己的周围,形成一个扁平的物质盘。在其中会孕育出卫星,这些卫星一般个头较大,且靠近行星。木星的四颗“伽利略”卫星就是这一类“同源”形成的范例。另一种形成卫星的方式是引力俘获。当有小天体从行星附近经过的时候,由于受到气体阻尼或者其他作用的影响这些原本绕太阳运动的小天体转而就会被行星的引力“囚禁”住。这样形成的卫星通常比较小,且距离行星较远。火星的两颗卫星火卫一和火卫二就被认为是由此而形成的,火星因此也成为了太阳系中唯一拥有两颗天然卫星的类地行星。


[图片说明]:在日全食开始和结束的瞬间在日面边缘所出现的倍利珠。

  但是由于月亮相对于地球来说实在太大了,因此既无法通过同源的方式也无法通过俘获的方式形成。行星科学家们相信月球的形成只有一种解释,那就是碰撞。在太阳系的最初1亿年里,小天体在太阳系里横行,其中一个火星大小的天体撞上了地球。这一碰撞彻底改变了地球,由此撞击出的大量物质最终形成了个头偏大的月球。

  更重要的是,这么大的月亮对于地球上的生命来说是一种恩惠。由于来自其他天体的引力作用,地球在绕其自转轴转动的同时地轴也会发生摆动。月球无形的引力可以抑制住这种摆动,防止地球自转出现不稳定性以及由此造成的灾难性气候变化。这对于地球上的生命来说则是至关重要的。

  由于是在撞击中形成的,再加上潮汐的作用,月亮正在以每年3.8厘米的速度渐渐地远离地球。于是恐龙看到的日食和我们的截然不同。2亿年前月亮要比现在看上去大得多,可以“轻而易举”地遮挡住整个太阳。而对于几亿年之后的地球居民来说,由于月球已经变得太“小”,因此不会再有日全食发生。

  我们看起来很幸运正好位于两者之间:形成于撞击的月球正在远离,与此同时它又惠及着地球上的生命。也许正是这一愉快的巧合才使我们有幸能站在这里目睹日全食的发生。

伴我们前行的日全食

  除了使得地球能生生不息之外,月球遮挡太阳的这短短几分钟对于科学家而言还是天赐良机。氦元素就有借此发现的。对于地球上的天文学家来说,由于大气对阳光强烈的散射作用,因此只有在日全食发生和结束的片刻才能看到太阳的色球层和日冕。1868年法国天文学家让森在印度发生日全食之际拍摄了太阳色球层的光谱。其中出现了一条明亮的黄色谱线。经过详细地认证,英国天文学家洛克耶排除了这条谱线来自已知元素的可能,并且将产生这一谱线的元素命名为“氦”。到了1895年化学家才在地球上也找到了氦。就此氦成为了第一个也是目前唯一一个首先在地球以外发现的元素。

  此外,在1868年和1869年的日全食过程中,天文学家还第一次观测到了日冕的谱线。大约25年之后就像氦的命名一样,产生这一绿色谱线的元素被命名成了“氪”。在这之后,又陆续在日冕中发现了不同的谱线,证认这些谱线就成为了天文学家的重要课题。1939年瑞典天文学家爱德兰发现,氪的谱线其实是来自被高度电离的铁原子(铁原子26个核外电子被剥离了13个)。问题看似终于被解决了,其实却带来了一个更大的麻烦。要产生高度电离的铁原子就必须要达到上百万度的高温。日冕位于太阳大气的顶层,而其底层大气(光球层)的平均温度却大约只有5500摄氏度。对于这一温度由内而外不降反升的现象虽然已经有了一些新的解释,但它仍然是21世纪的天体物理学需要解决的一大课题。


[图片说明]:地面上只有在日全食时才能见到的巨大太阳日冕。

  不过要是说名气,上面的这些日全食恐怕还是无法和1919年的那次相提并论。这次日全食造就爱丁顿和戴森,更成就了爱因斯坦。1916年爱因斯坦发表了他的广义相对论,他由此解释并且预言了一些天文现象。首先是水星近日点的进动。在广义相对论中水星的近日点(水星最靠近太阳的一点)会比在牛顿力学下每世纪多进动43个角秒。这一现象早在广义相对论发表之前就已经被天文学家观测到了,因此并不能做为令人信服的检验。其次,爱因斯坦预言,当光掠过太阳时,由于太阳造成的时空弯曲会导致的光线发生偏折。但这一预言只有在日全食的时候才能被检测。1919年以爱丁顿和戴森为首的英国皇家天文学会远征队对当年发生在非洲的日全食进行了观测,证实了爱因斯坦的预言。

  其实这并不是故事的全部。早在1914年就有人想在俄罗斯境内发生日全食的时候来检验爱因斯坦的广义相对论,但是由于第一次世界大战的爆发而没有成行。巧的是,当时爱因斯坦的预言和后来的差了2倍。如果当时的日全食远征队成功地进行了观测,那么爱因斯坦后来修改过的计算结果也许就会被视为“补丁”而非原创性的工作。但不管怎样,爱因斯坦事后曾经被问及,如果他的预言被证明是错的,他会怎么想?他著名的回答是,“我会为上帝感到抱歉;广义相对论是对的。”

  总之,千百年来日全食伴随着人类一路走来,它能化干戈为玉帛,也能使人命丧黄泉。它能让人为它不远万里去寻求答案,也能颠覆人类的已有观念。不同的观众兴许会看到不同的日全食。7月22日让我们一起来享受这份大自然的恩赐、这份让人凝神屏气的美与谜。

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22 Responses to ““心之全蚀”专题:日全食 让人凝神屏气的美与谜”

  1. 八爪鱼说道:

    月亮刚好遮住太阳,太神奇了。

  2. 说道:

    松鼠会的人是不是都看日全食去了?我们这里还剩下一点儿了,太阳非常好,天气晴朗,现在就剩下一条小月牙,天马上就要黑了。太神奇了!

  3. 偷果果说道:

    为什么我这里天还不黑?唉,阴天多雾的天气,太阳啊,让我看你一眼吧!

  4. xiao_xiong66说道:

    我这里日全食正好下暴雨,只能感觉到天很黑,然后又亮了,帖子里的图片是好多红XXXX,看不到呢,哎……

  5. 水月说道:

    南京下着很大的雨,短暂的黑夜加着暴雨,于是,我什么也没看见

  6. 任子爵士说道:

    那个边缘斑斑点点的红色是日饵吧?

  7. 知道了说道:

    这里正好在食甚的时候下大雨,想哭都哭不出来

  8. masuz说道:

    刚刚一只鸽子突然从办公室窗子外面飞了进来,跌跌撞撞的,最后撞在办公室的玻璃窗上掉了下来。从来没遇到过这种事情,不知道是不是日食影响到了鸽子的飞行?

    • 司帅华说道:

      那是因为玻璃映着天,鸟儿以为那是天,就撞了上去。

  9. xiao_xiong66说道:

    想问下,这图片是用什么器材拍的,还是合成的

  10. littleplants说道:

    西安下雨,云层太厚,太阳都见不到的。

  11. sunny0302说道:

    这篇真好看啊真好看~~
    谁来给我科普一下——“
    由于是在撞击中形成的,再加上潮汐的作用,月亮正在以每年3.8厘米的速度渐渐地远离地球。”
    这是为什么??

    • Shea说道:

      撞击形成-->刚形成的月球距离地球很近-->潮汐作用就会比较强-->耗散地-月系统的能量和角动量-->月球轨道向外扩张

    • suizui说道:

      我这样推,不知道机制说得对不对。

      地球不是特别硬,容易变形,自转时靠近月球的部位被吸引,鼓起一个包。
      这个鼓包的变化规律是——
      ..地球自转比月球公转快,地表附近的部位从后方转到最靠近月球的位置,被拉起来,但是摩擦和变形的阻尼作用干扰它,鼓得有些滞后。
      ..强大的摩擦作用让鼓起的包继续转向前方,远离月球,拉起的力小了,逐渐被地球本身的重力拉矮,但是摩擦和变形的阻尼继续干扰,鼓包的消失也滞后。
      ..所以相对于月球的正下方地表,鼓包总是从后面转过来的部位形成的,而且总是鼓得晚、消得晚。

      影响的效果——
      这个鼓包高于平均地表,又总是在前面,不停向偏前的方向拉月球。
      月球公转和地球自转方向相同,正好被鼓包不断加速,公转速度不断增大,动能增加,就不断远离地球。
      同时对地球来说,这个鼓包比其他部位受到月球的更大引力作用,而且总是逆着自转方向拉,就通过摩擦作用减速了。
      总体来看,(地球-月球)这个系统的能量就不断从地球传递给月球,地球的自转就越来越慢,同时月球被甩得越来越远,天文界就说情况是月球在利用潮汐作用偷地球的自转角动量,用于加速逃跑。

  12. NH44443说道:

    还好, 广东这边虽然没有全食, 但看偏食也还可以看, 天气适合.

  13. [...] Shea 《日全食:让人凝神屏气的美与谜》 [...]

  14. bunn说道:

    唉,偏食时忘了看树影了。。。

  15. shelly说道:

    其实我不太明白什么叫“潮汐锁定”,地球自转的角动量转变成月球公转的角动量?

  16. 确实是很漂亮!可惜没有专用的望远镜,否则明天也可以派上用场了。拓步ERP软件www.toberp.com