大日食即將上演，這些知識點你知道嗎？

美國當地時間2017年8月21日，北京時間22日凌晨，在北美為中心的大片區域，只要天氣狀況允許，人們將有幸目睹一次壯觀的日全食事件。此次日全食在世界引發的關注度遠超以往，主要是因為此次日食的最佳觀測帶恰好覆蓋了人口稠密且經濟、科技與傳媒高度發達的北美地區，從美國西北部俄勒岡州的林肯海灘（Lincoln Beach）開始，一路向東南方向，一直到南卡羅來納州的查爾斯頓（Charleston）。世界各地將有大量「追日族」飛往美國進行觀測，在一些最佳觀測位置附近的酒店等設施已經出現供應緊張。上一次像這樣橫跨整個美國的日全食還要追溯到1918年。

日食究竟是如何發生的？

簡單來說，日食的發生是由於月球從地球與太陽之間經過，三個天體大體處在同一條直線上，因此月球會遮擋部分或全部的日面，形成日食，整個日食過程從開始到結束最長可以達到3小時左右。而此次日食過程中，月球完全遮擋日面，也就是日全食的持續時間大約是2分40秒左右，而上一次在美國大陸本土發生日全食還要追溯到1979年。

如圖所示，當月球遮擋太陽時，會朝地球方向投射一個陰影區並掃過地球表面。這個陰影區可以分為兩個部分，較外側的區域稱為半影區，在半影區內的觀察者會看到月球遮擋部分日面，形成日偏食；而月球陰影的核心部分被稱為本影。在本影區內的觀察者會看到月球完全遮擋太陽，形成日全食。但是如圖所示的那樣，由於月球很小，且距離地球仍然有一段距離，因此其投射的本影區在地球表面掃過的區域寬度相當窄，只有很少一部分地區的人能夠有幸觀察到日全食現象。

日全食的不同階段：

1、 初虧：由於月球在天空中自西向東的視運動速度要比太陽的視運動速度更快一些，因此從地球上看去，月球會從西側逐漸「追上」太陽。也因此，當日食發生時，地球上的觀察者會看到月球從西側逐漸接觸太陽的西側邊緣，這一階段是日食的開始，被稱作初虧。

2、 食既：初虧之後就是日偏食階段，持續最長可以有一小時左右，在此階段月球相對太陽繼續向東運行，遮蔽越來越多的日面，地球上的觀察者們會感覺天空越來越暗，溫度會有較為明顯的下降。這一過程一直持續，最終月球東部邊緣終於觸碰到太陽的東部邊緣，整個太陽都被月球遮蔽，天空陷入完全黑暗，真正的日全食開始了。而在太陽被完全遮蔽之前，日面最東側還殘留最後一縷陽光的時候，會形成耀眼的「貝利珠」現象，這是陽光從月球表面崎嶇不平的山谷間穿過時形成的。這一階段被稱為「食既」，「既」字有「完成」的意思，顧名思義，此時月球變身的「大天狗」已經完成了對平常光芒萬丈的太陽的「吞食」。

3、 食甚：理論上說這是日全食的最高潮時刻，其意義是月球圓面中心與太陽圓面的中心兩者基本重合，但相比其他幾個時刻，食甚時刻難以被區分出來。

4、 生光：月球視運動繼續向東，當月面的西側邊緣逐漸離開太陽西側邊緣的一瞬間，或者說月球西側邊緣與太陽西側邊緣內切的時刻，被遮蔽的陽光將再次閃耀，在日面西側再次出現「貝利珠」現象，它宣告了日全食階段的結束。

5、 復圓：這是整個日食觀測的最終章。隨著月球繼續東行，太陽逐漸恢復耀眼奪目，整個日食過程全部結束。

在哪裡觀測這次日全食？

這次日食的觀測區域覆蓋的人口量相當可觀。除了全食帶跨越美國境內14個州之外，實際上整個北美洲，加上南美洲一部分以及歐洲和部分非洲地區都至少可以看到日偏食。當然，距離全食帶越遠，所能看到的偏食程度越小，太陽被遮住的區域也就越小。

當然，如果你想要觀測日全食的話，那你必須身處全食帶才可以。本次日全食的本影區寬度大約70英里（約112公里），從美國西海岸向東南方向一直延伸到東海岸。北美大陸最先能夠目睹日食美景（初虧）的地點應該是在美國西北部的俄勒岡州林肯海灘，時間是當地時間8月21日上午9：05（北京時間8月22日凌晨00：05），在林肯海灘，月球完全遮蔽太陽（食既），日全食開始的時刻大約是當地時間上午10：16（北京時間8月22日凌晨1：16）。

在接下來的一個半小時內，全食帶將迅速穿越美國俄勒岡，愛達荷，懷俄明，蒙大拿，內布拉斯加，艾奧瓦，堪薩斯，密蘇里，伊利諾伊，肯塔基，田納西，喬治亞以及北卡羅來納和南卡羅萊納州部分地區。一直到南卡羅萊納州查爾斯頓附近進入大西洋洋麵，時間是當地時間11日下午14：48（北京時間22日凌晨02：48），而日全食持續時間最長的地點預計是在美國伊利諾伊州的卡邦達爾（Carbondale），此處太陽被完全遮蔽的時間將達2分40秒。

日全食觀測背後的科學價值

日全食的發生在歷史上為人類認識太陽的本質提供了重要的機遇，在整個人類自然科學的發展過程中也佔有重要的地位。

太陽最外層的大氣結構是日冕，這是一個異常高溫區域，比底層大氣高出上百萬度。但由於這一區域物質密度很小，日冕層的亮度很低，平常是完全無法被觀測到的。而日全食遮蔽了太陽本體，從而能夠有效暴露出日冕，人類對於太陽日冕結構最早的觀察就來自日全食期間。

在早已研製出人工日冕儀的今天，科學家們能夠使用這種特殊儀器在望遠鏡視野中人為地遮蔽日面，創設出一種類似日全食的效果，從而對太陽日冕進行觀察，目前這項技術早已得到廣泛應用於地面和空間望遠鏡中。但即便如此，人工日冕儀所提供的視野仍然無法完全替代日全食，換句話說，月球是比人工技術好得多的天然日冕儀，它能夠讓科學家們獲取太陽日冕結構的最完整，最精細的結構觀測。

另外，在歷史上，愛因斯坦廣義相對論的驗證離不開英國科學家艾丁頓對日全食的觀測。愛因斯坦在1915年提出的廣義相對論預言了在引力場中光線的彎曲性質，但這一空前的顛覆性思想需要得到觀測的檢驗。

利用1919年5月在非洲幾內亞灣普林西比島上進行的一次日全食觀測，愛丁頓確認在日全食發生時，可以觀察到太陽附近的恆星位置與星圖標註發生了變化，且變化量與愛因斯坦理論的預測值相符，從而證明了愛因斯坦理論的正確性，讓愛因斯坦名揚天下。愛因斯坦與愛丁頓的故事早已成為世界科學史上超越國界，超越敵對國家關係的一段佳話。

事實上，在這次北美日全食期間，也有一些業餘愛好者和專業的科學家打算重複去做愛丁頓當年的工作，並利用當前的技術進步，讓這一觀測精度大大提升。而美國宇航局和整個西方科學界也將調用空前的專業設備，從地面，飛機上，氣球上，以及太空的大批觀測設備在日全食期間對太陽進行前所未有的全方位觀測。

關於日食的幾條常見誤解

從人類有文字書寫歷史的最早期便出現了對日食事件的記載，可見人類祖先在很早就已經注意到了日食現象。隨著我們對於自然規律的認識不斷加深，我們早已了解日食發生的本質並能夠進行非常精確的預測。儘管很多曾經的錯誤觀念都已經得到了科學的修正，但實際上一些常見的誤解仍然存在。

問題一：日全食會產生有害射線損害眼睛？

當日全食發生時，月球會完全遮蔽太陽，從而暴露出平日里見不到的壯觀日冕，日冕發出的僅僅是常規的太陽電磁輻射，科學家們對這種輻射已經開展了幾個世紀的研究。儘管日冕溫度很高，但由於物質稀薄，其亮度要比太陽本身低100萬倍，這樣的情況下，再加上太陽與地球相距1.5億千米，還要穿過地球厚厚的大氣層，說要損害我們的眼睛完全是站不住腳的。當然，如果你在太陽還沒有被完全遮蔽之前用肉眼直接去觀察太陽，那是很有可能造成視網膜損壞的，但這與日全食一點關係都沒有！

問題二：如果正在懷孕就不能看日食，因為那會損傷肚裡的寶寶？

事實：這個謠言與第一條有「異曲同工之妙」，都是說日全食的時候可能會產生某種有害的射線，但這是錯誤的。前面已經說到，日全食期間太陽產生的電磁輻射不會對人體造成任何傷害。而如果要更加深究，的確有一種來自太陽的粒子會不斷穿過我們的身體。這就是太陽內部核反應過程中產生的中微子。中微子能夠任意穿過幾乎任何物體而不受阻擋，包括你和我的身體，甚至是月球，整個地球或者太陽在它面前都基本是透明的。事實上，此時此刻，每一秒鐘都有數以萬億計來自太陽的中微子穿過你的身體——不管白天還是晚上，因為中微子根本不在乎晚上有整個地球為你阻擋。儘管如此，你完全不會有任何感覺，任何人都不會有任何感覺，而且中微子是每時每刻都存在的，與日全食無關。

問題三：日全食是不祥之兆？

這個謠言有點像說彗星是不祥之兆的太陽版本，很多人還能夠舉出很多例子，某某災難發生在彗星出現的夜晚，或是日食發生的那天。在心理學上，這種情況被稱作「確認偏差」，意思是我們常常會選擇性地回憶或記下一些事件或細節，而去忽略那些不利或與自身信念矛盾的證據或事實，從而來支持自己的片面想法。

事實是，沒有任何證據表明人類歷史上的厄運或大災與彗星或者日食之間存在相關性。

問題四：在地球南北兩極是永遠不會發生日全食的？

從天文角度看，地球南北兩極相比其他地區並沒有什麼特殊性。比如地球北極地區上一次發生日全食就是在2015年3月20日，當時全食帶直接穿越了北極點，而且當時正值春分時節！而在地球南極，上一次出現日全食是在2003年的11月23日。

問題五：每次日全食的時候是否都可以觀察到壯觀的日冕？

人們很習慣於將當前的現象想象為理所當然，但具體在太陽這個問題上，這種觀點很有可能是錯誤的。比如我們習慣性認為太陽會很有規律的遵循11年活動周期，我們還將它寫進了教科書。但是我們也知道在歷史上出現過多次不遵循這一周期的異常現象，比如在18世紀出現的所謂「蒙德極小期」，太陽的11年周期似乎消失了。

在古希臘的文獻中，科學家們發現了多次對於日全食的記載。但是令人感到奇怪的是，在這些記錄中，幾乎沒有或者極少提到日全食發生時觀察到明顯的日冕現象。

一直要等到1715年5月3日，英國著名天文學家哈雷對當時那次日全食的記錄中，才出現了最早對於日冕的描述。這是否暗示太陽在此前1000多年裡都是沒有明顯日冕結構的？我們不知道這個問題的答案，或許永遠也不會知道。