日全食現代科研價值

1. 為什麼今年的日全食對科學家而言如此重要？

研究人員所追求有的許多科學問題都跟太陽大氣的最外層——日冕有關，它是諸多太陽物理現象的發源地，比如太陽風和日冕物質拋射。這是為什麼NASA此次資助的11個項目中有6個都是跟日冕有關。

通常情況下，日冕只有在日食的時候才能被觀測到，但平時我們也可以藉助日冕儀（在望遠鏡上加上遮光板）來擋住太陽的光芒以研究日冕。不過日冕儀有一些缺點，比如為了防止太多的光子進入儀器，望遠鏡所配備的擋板通常要比太陽圓盤更大，但這樣就會擋住大部分內冕的區域。此外，還有衍射等問題。而當月球完全把太陽擋住時，就起了天然擋板的作用，避免了許多令人抓狂的問題。而且在地面上拍攝的日食圖像都要比空間日冕儀清晰上數倍。這也是為何日全食對研究太陽物理如此重要的原因。

△ 空間望遠鏡利用日冕儀將太陽的光芒擋住，就可以觀測到日冕，這張照片是由空間望遠鏡SOHO太陽天文台拍攝的，可以清楚的在右上角看到日冕物質拋射。（圖片來源：LASCO C2/SOHO, NASA, ESA）

日全食一般每18個月都會出現，它們並不是什麼罕見的事件。而月球的影子投射在地球表面的哪個位置，決定了我們的觀測時間。這次的日全食留給地面觀測者的時間長達~90分鐘（各地觀測者只有兩分鐘的時間）！當所有兩分鐘的數據加起來的時候，就變成了一次~90分鐘的事件。為了完美的利用這段時間，美國國家天文台的Matt Penn發起了CATE計劃[1]，邀請自願者加入到這次的觀測事件中。

△ 公民CATE實驗。（圖片來源：NSO）

2. 日食期間，動植物的行為會有變化嗎？

在日食發生的期間，我們時常會聽到動物界的許多奇聞異事，比如鳥兒突然安靜下來，蜜蜂回到自己的蜂巢，蟋蟀唧唧的叫等等。過去也有很多誘人的觀測報告，但是都非常局限。

△ 日食期間，動植物會以為是夜幕降臨么？（圖片來源：DARIOS44）

一個叫做「Life Responds」日食計劃[2]的發言人Elise Ricard對此表示：「關於動物，甚至是植物，對日全食的反應的相關研究很少。」 而這次的日全食或許會帶來改變，特別是智能手機的廣泛應用，人們可以更方便的記錄他們的對動植物的觀測。今年，加州科學院就號召公民科學能夠通過一個叫iNaturalist的App[3]記錄下他們對動植物的行為的觀察，希望能夠收集到前所未有的信息。

3. 日食期間，地球的大氣層會有什麼變化嗎？

△ 大氣層中的電子會被太陽光從原子中剝離，產生電離層。但是在日全食期間，這個過程將會終止。（圖片來源：NASA）

有這麼一群人，無論是晴天還是下雨，他們都會在日食期間打開無線電接收器。他們所感興趣的目標並不是太陽，而是距離地球表面75 - 1000公里上空的電離層。這部分大氣層由於受到太陽輻射，原子和分子中的電子會被剝離（或離子化），就會產生電離層。電離層會吸收來自太陽的紫外輻射，保護地面的生命不受傷害，可以說它是生命之所以存在於這個星球的原因之一。此外，電離層也是北極光上演的舞台，它在GPS信號和無線電通訊中都扮演著至關重要的角色。

在沒有陽光的照射下，電離層會停止離子化。自由帶負電的電子開始重新和帶正電的離子結合，中和大氣中的電荷。由於四處亂竄的自由電子大量減少，電離層會以不同的方式反射無線電波。我們大概知道這是怎麼發生的，但不精確，因此通過日全食，科學家能夠深入的研究這其中的奧妙。喬治梅森大學的George Mason和她的同事號召自願者加入到「Eclipse Mob」[4]的計劃之中，收集當太陽被完全擋住時電離層的反應的數據。科學家也將會考察日食對GPS信號的影響。

△ 大約150名的Eclipse Mob實驗的參與者將收到一個小無線電接收器的DIY工具箱。這是一個完整的電路，可以插入智能手機的耳機介面。其他參與者則需要自制接收器。當天，參與者將接收到無線電發射機發出的信號，並記錄在日食期間和前後的信號的強度。（圖片來源：K.C. KERBY-PATEL）

4. 日食期間，能否幫助我們揭開水星表面之謎？

美國時間21日上午，兩架噴氣式飛機將從休斯頓的約翰遜航天中心起飛[5]，以每小時750公里的速度追逐月球的影子。飛機上攜帶的儀器將專註於觀測太陽系中的另一員：水星。飛機在黑暗之中呼嘯而過的短暫時間內，這些儀器將會收集到足夠的數據回答關於水星的一個謎題：水星表面的內層是由什麼組成的？

△ NASA的「信使號」環繞水星的4年時間裡，揭露了很多水星表面的細節。2017年的日全食將更深入的挖掘該行星的表面成分。（圖片來源：NASA）

由於水星離太陽太近，從地球上研究它是很困難的一件事。另外，我們也很難在近處觀察它，因為極端的溫度和輻射會威脅任何靠的太近的航天器。而且太陽的亮度也會阻礙信號從航天器上發送回地球。

2011-2015年期間，NASA發射的「信使號」環繞著水星運行進行考察。但「信使號」只能觸及表面，並通過一個叫「反射分光計」的儀器分析水星的成分。信使號測量了水星表面波長小於1微米的反射光，發現了水星含有驚人數量的硫和鉀。但這些波長只來自水星表面頂端的幾微米處，在那之下的成分完全是未知的。

為了深挖水星的表面，太陽物理學家Amir Caspi和行星科學家Constantine Tsang和他們的同事將利用特別設計的紅外攝影機，可以探測的波長為3 - 5微米之間的光。兩架噴氣式飛機上將攜帶大量的儀器，它們所處於的高度和速度有兩個優勢：更少的大氣干擾和更多的時間處於日全食之下（飛機將在400秒的時間內處於完全黑暗之下）。

△ 望遠鏡被安裝在噴氣式飛機的鼻子上，試圖找出水星地面下的成分。（圖片來源：Amir Caspi）

水星的光面表面溫度為425攝氏度，它會釋放波長為4.1微米的光，正好是儀器探測的範圍。給定水星表面任何一點，當它旋轉避開太陽時，溫度會下降至零下179攝氏度。測量水星在多快的時間內會失去熱量能夠幫助研究人員找出水星表面下的材料是由什麼構成的，以及密度又是多少。Caspi表示，他們正在嘗試製作水星表面的第一張熱像圖。

5. 利用日食可以驗證廣義相對論嗎？

1915年，愛因斯坦發表了廣義相對論，並預言了太陽的引力將會彎曲它周圍的時空。在日食期間，太陽背後的恆星的位置跟平日夜晚里沒有太陽時的位置不同。1919年，天文學家Arthur Eddington在日食期間拍攝的一組照片證明了愛因斯坦的理論是正確的，使愛因斯坦一夜之間成為了家喻戶曉的大物理學家。在過去的100年間，廣義相對論經受住了所有的檢驗。

△ 天文學家Eddington在1919年5月的日食拍攝下這張照片，顯示了背景恆星的位置的偏離，驗證了愛因斯坦的新理論。（圖片來源：F.W. DYSON, A. S. EDDINGTON, AND C. DAVIDSON）

歷史上，Eddington的實驗只被重複了六次，上一次是在1973年。之前的測試都是用了照相底片，而且測量恆星的位置的精確度從未超過10%。如果恆星的位置實際上在非常微弱的程度上偏離了愛因斯坦的預測，之前的實驗是無法測量到這個差異的。

但現在的技術發展遠遠超出了想象，任何一個人都能做的比之前的實驗好上10倍。其中數碼相機的進步是關鍵。除了能夠快速拍攝大量照片外，攝像機還配有CCD，可以將數千個像素壓縮到一個微型的晶元上。這樣就可以在不需要大型攝像機的情況下拍攝高解析度的圖像。路易斯安那州立大學的天體物理學家Bradley Schaefer將借這次機會重現史上最偉大的科學實驗之一。而我們可以預期，Schaefer將再次驗證愛因斯坦的理論。

6. 我們能夠在日食期間研究日冕的磁場嗎？

日全食發生的時候，太陽的纖細大氣層被帶到了聚光燈之下。這個區域被稱為日冕，通常都太過暗淡無法直接觀測。日冕的熾熱等離子體是一個向外輻射、不斷變化的冕狀結構，充滿了羽狀和環形氣流。有時候，其中的一個冕環會折斷，並向太空中拋射高能的物質，這被稱為日冕物質拋射。當爆發對準地球時，會觸發極光的產生，或破壞衛星，摧毀電網。

△ 太陽的磁場與日冕的磁場相連接，但日冕的磁場弱的多，因此難以觀測。他們相互糾纏形成一個扭曲混亂的局面，這裡用白線描述。（圖片來源：NASA/SDO）

這些帶電粒子的運動會產生磁場。理解太陽的內在磁場是理解和預測日冕活動的關鍵。令人驚訝的是，儘管我們對太陽表面的磁場已經有足夠的理解，但是我們對日冕的弱磁場卻知之甚少。為了全面理解日冕，我們就必須先理解磁場，它是一切的核心。

在日食期間，哈佛大學的應用物理研究所Jenna Samra[6]和其他人將在波長介於1到4微米的紅外光下觀測日冕。當鎂、鐵、硫或硅等重元素失去一個電子到周圍的熱等離子體時，就會釋放出這些波長的光。不同強度的磁場會使這些電子會特殊的方式旋轉。當光朝地球傳播時，這些螺旋會改變光的方向。為了探索磁場，科學家就必須測量這個方向（或偏振）。

屆時，科學家有足夠的時間去獲取紅外光譜。這次各個科研團隊在日食期間測量的光譜將不會立即被轉化為磁場的強度或形狀，但這些測量會幫助我們確定哪些波長是最容易觀測的。這也將為正在建設的未來望遠鏡指明方向。

7. 太陽風來自哪裡？

△ 太陽風觸發了地球大氣層中極光的產生。這張照片是在6月26日從國際空間站中拍攝的。（圖片來源：NASA）

帶電粒子流以每秒數百公里的速度不斷的從太陽飛出，並在傳播的途中轟擊脆弱的行星。這些帶電粒子流被稱作「太陽風」，它在太陽系生命的形成中起到直接的作用。有科學家認為，它是導致火星逐漸喪失大氣層的罪魁禍首[7]。地球面臨著同樣的威脅，幸好被地球的強磁場保護著。

但是科學家還無法理解太陽風運作的一些關鍵細節。它起源於太陽表面和大氣層相遇的區域。就像地球上的風一樣，太陽風也是陣風，它在不同的區域有著不同的傳播速度。比如在在冕流空曠的區域流出的太陽風的速度是最快的。但沒有人知道為什麼太陽風如此變化無常。

△ 加強版的太陽風，帶電粒子離開太陽后，瀰漫在整個太陽系。（圖片來源：CRAIG DEFOREST, SWRI）

這次的日全食給天文學家提供了一個理想的機會來捕捉太陽風在內冕的活動。戈達德太空飛行中心的Nat Gopalswamy和他的同事將在日全食期間測試一種最新版本的「偏振計」，該新儀器是專門設計來測量離開太陽的電子的溫度和速度的。測量將從接近太陽表面開始，向外一直延伸到560萬公里左右。

8. 太陽物理學最大的謎題：為什麼日冕這麼熱？

日全食，照亮了太陽最難以捉摸的大氣層——日冕。在那裡，物質的密度只有太陽表面的是萬億分之一，從它精緻又透明的外表來看，很容易讓人以為那裡應該是太陽最冷的地方。如果你也這麼想，那就大錯特錯了。

△ 研究太陽的方式有很多，這張圖片顯示了在不同的波段下（比如X-射線、可見光、紫外光等）研究太陽的各種性質。在日全食期間，物理學家將採取所有的途徑來找出為何日冕如此炙熱的原因。（圖片來源：NASA GODDARD SPACE FLIGHT CENTER）

日冕其實是一個神秘的熾熱地獄，從太陽表面繼續向外進入太陽大氣，溫度從幾千度躍升到了幾百萬度！這是非常反直覺的，當你遠離熱源時，反而變得更熱。我們都知道加熱材料的最基本方式是基於粒子之間的相互碰撞，但是日冕太過於稀薄，無法這麼運作。那究竟是什麼原因導致了日冕擁有如此高的溫度？這是太陽物理學中長久以來懸而未決的大問題之一。

△ 日冕的極度高溫會將電子從鐵原子身上剝離。科學家利用這些缺少電子的鐵原子來估算日冕的溫度。這張圖片來自2008年的一次日全食，紅色表示缺少了10個電子的鐵原子，藍色表示少了12個電子的鐵原子，而綠色則表示鐵原子缺少了13個電子。（圖片來源：S. HABBAL ET AL.）

物理學家提出了許多的理論。例如，或許是因為在日冕中的磁場線環像吉他弦一樣振動，加熱日冕，有點像微波爐加熱食物。又或許是叫做「納米耀斑」的小型爆炸或針狀體的噴射從太陽的光球層帶走能量到日冕。還有其它的理論，但未有定論。此次的日全食，有許多團隊將使用配有濾光片的望遠鏡探測偏振光、紅外光或者是缺少電子的鐵原子來尋找答案。

或許所有的理論都對日冕的高溫有所貢獻，似乎很難說哪個是最重要的。但不管怎樣，日全食是科學家檢驗這些不同模型的絕佳機會。

為了迎接這次的日全食，科學家已經謀劃了多年。上面提到的僅僅只是這次日全食即將展開的研究、實驗和觀測的一部分。無論是從精神或數據層面，這次的日全食都將帶給我們的前所未有的震撼。

[2] https://www.calacademy.org/citizen-science/solar-eclipse-2017

[3] http://www.calacademy.org/citizen-science/solar-eclipse-2017

[4] http://eng.umb.edu/~eclipsemob/

[5] https://jsc-aircraft-ops.jsc.nasa.gov/wb57/

[6] https://spie.org/Publications/Proceedings/Paper/10.1117/12.2232128

[7] https://www.sciencenews.org/article/extreme-gas-loss-dried-out-mars-maven-data-suggest