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日全蚀—地球上最大的天文观测实验

日全蚀。图中看到的光晕是日冕。在日冕和黑色圆形的边界上有一些红色的光斑（三点钟方向），它来自太阳的大气层中的色温层。

■日蚀是奇特的天文现象，尤其是地球上的日蚀，更是宇宙中的一场浪漫邂逅。本文简述日蚀的原理、发生频率、地球上日蚀的独特性和今年8月在美国观测日全蚀的过程。

●日蚀怎么发生的？

影子可以分为“本影区”和“半影区”。在全影区中，所有的光线完完全全地被遮蔽，好像光源不存在一样。而在半影区中，只有部分的光线被遮住，光源就像是缺了一角。如图一所示，月球的本影和半影区中的A，B处分别会造成“日全蚀”和“日偏食”。同样属于半影区，但在本影区的正后方C的部分会看到“日环蚀”。这是因为月球距离太远，看起来太小，不足以完全遮蔽太阳（如图二照片）。

在此介绍一个冷知识，本影区的英文叫做“umbra”，在拉丁文中代表阴影的意思。而当人撑起雨伞时，就好像活在阴影底下，因此雨伞叫做“umbrella”。

图一、影子分为本影和半影。位于月亮本影区的人，可以看到日全蚀；半影区可以看到日环蚀或日偏食。

图二、（左）2014年10月23日的日偏食及（右）2012年5月20日的日环食。

●地球上的日全蚀很浪漫！

尽管太阳比月亮大四百倍，太阳的距离也大约是四百倍远。这个美丽的巧合让月亮和太阳在天空中看起来几乎一模一样大。当日全蚀发生时，太阳被月亮刚刚好地遮住。太阳的大气层外围中的带电粒子发出的微弱光线，被称为“日冕”。平时，日冕相对太阳显得不起眼，根本看不到。只有在日全蚀的时候，月亮遮住太阳却不遮住太阳大气层，我们才能看到美丽的日冕。

●日全蚀多久发生一次？

每个月，月亮都跑到地球和太阳的中间一次，这代表每个月都有日蚀吗？月亮轨道平面（白道面）和太阳轨道平面（黄道面）之间夹了大约5度角。尽管5度听起来很小，但在地球和月亮这种距离之下，已经足以让月亮的影子落在地球之外了（图三2，4）！

图三、地球和月球公转轨道的示意图。黄道面和白道面夹了大约5度角。每年大约有两次机会太阳、月亮和地球三者依序连成一直线。

大家都知道两个不平行的平面会相交于一直线，每年就会有这么两次，地球、月亮、太阳依序坐落在这条直线上（图三1，3）。也就是说，大约每半年会有一次日蚀现象发生在地球上的某个角落。但是由于轨道的偏差，大约有三分之一的日蚀属于“日偏食”。另外，因为月亮轨道是椭圆形的，当他离地球较远时，它的本影区离开地球表面。大约有三分之一是这种状况，属于“日环蚀”。只有剩下的三分之一是属于最奇妙、最让人赞叹的“日全蚀”。所以平均来说，大约每一年半地球上会发生一次日全蚀。

●但我怎么没有每一年半看到一次日全蚀呢？

月亮在地球上的本影区非常小，大约只有1万平方公里而已。只占地球表面积5亿平方公里之中的0.002%。依照机率粗略概算，每个地方平均约7万5千年才会发生一次日全蚀。所以如果不主动追求日蚀的话，大部分的人很有可能终其一生都看不到一次日全蚀。日全蚀每次发生大约持续1到3分钟[1]，这种昙花一现的感觉和极稀有的特性，大概解释了为什么每次日全蚀发生都会造成轰动，吸引大量的人潮观看。

●看日全蚀是什么样的感觉？

最近一次的日全蚀，发生在2017年8月21号。本影区大多在美国境内，每个本影区经过的城市都有百万人涌入，这可以说是当时全球最大的天文观测活动吧！笔者刚好在本影区附近[2]，所以当然是前往观测啰！首先，在日全蚀发生前的大约一个小时会进入半影区，这时戴上专用的减光片可以看到太阳缺了一角，然后越缺越多。但其实在这一小时中太阳还是很亮，如果没有人告诉你有日蚀，还真的不会发现有什么异状。

如果知道有日蚀，下列几件事情可以在全蚀完全发生前，感受到日蚀的存在：第一，大约在全蚀前半个小时，会发现气温开始下降。本来是热到会流汗的天气，渐渐有了凉爽的温度。第二，可以观察树叶的影子。在树叶之间存在很多小缝，这些小缝就像是针孔一样能用来对太阳成像。如图四，这些光斑是太阳的影像，呈现半月形，这是日蚀的证据！第三，大约在全蚀的前五到十分钟左右，会发现整个环境的光线都变得特别奇怪。天空没有云，但却变暗了，就像是在歌剧院内有人慢慢把灯光调暗一样。此外，影子边界会变得特别清晰，这是因为太阳从一个圆盘，几乎变成一个点光源了。

图四、太阳的针孔成像影像。叶子中的缝隙就像是针孔相机一样，把太阳的影像投射在地面上。平常这些影像是圆形的，日蚀发生的时候，这些影像变成弯月形。

然后，就发生了。在减光片中看到太阳消失了，心里还纳闷道“这就是日全蚀？”。拿下减光片后[3]，眼前的景象让人难以置信。就是像照片里一样：一颗黑色的太阳挂在空中。同时，天空变得几乎跟夜晚一样暗，气温遽降，冷风从四面八方吹来。换顾四周，依稀可以感觉到远方本影区以外的地区还是有太阳的，所以整圈360度的地平线都像是日出日落一样闪耀。日全蚀的景象非常奇异，除了人声欢呼之外，还可以听到动物害怕（或兴奋）地对太阳大叫。

据说看了一次日全蚀的人，终身会继续追求日蚀。甚至在英文中，还特别为了“热爱日蚀的人”创造了一个单字：“umbraphile ”[4]。

图五、钻戒效应。日全蚀结束的那一瞬间，由于月亮的表面不是平整的，某些地形阳光比较容易通过，所以会率先闪耀光芒。这个景象就像是钻石戒指一样，所以被称为“钻戒效应（Diamond ring effect ）”。

注：

[1] 这是以定点不动计算。如果搭著飞机跟着本影区移动，可以享受大约2个小时的日全蚀。

[2] 在美国的奥瑞冈州。虽然说是附近，但也开车开了约11小时。

[3] 当日全蚀发生的那几分钟，光线强度够弱，可以用裸眼安全地观看。

[4] 前面有提到umbra指的是影子，而-phile指的是热爱。整个单字字面上就是“热爱影子的人”。