夏至约你看“金边日食” －遮天蔽日的空间天气效应
夏至约你看“金边日食”
遮天蔽日的空间天气效应
2020年6月21日的夏至节气，我们将迎来完整穿过中国全境的日环食，而错过此次机会， 想再次在中国境内看到日食只能等到10年后了！
2019年日环食
本次日食从刚果民主共和国开始，经过沙特阿拉伯和印度等，并从西藏阿里地区进入我国。在我国境内，日食带穿过我国西藏、四川、贵州、湖南、江西、福建、台湾等地，这些地方的民众可以观赏难得一见的日环食，而其他地区只能看到日偏食。值得一提的是，日环食将经过厦门的鼓浪屿地区，届时这一旅游胜地将吸引大批游客驻足，欣赏“金边日食”奇景。
2020年6月21日日环食中国各地见食 时间表
对于日食，想必大家并不陌生，日食以其短暂却绚烂绝妙的演出，吸引着成千上万的天文、摄影爱好者和普通民众的目光。
2017年日环食
月球运动到地球和太阳中间，遮挡了来自太阳的光照，从而形成日食。日食可以分为日全食、日偏食和日环食三种。太阳被完全遮住的部分叫日全食、部分遮住的为日偏食。而日环食是指月球未能完全遮住太阳，且在外侧漏出一圈太阳日面，又称“金边日食”。三种日食的发生取决于太阳、地球和月球之间的相对关系。
不同类型日食
观测日食的粉丝们
每次日食的发生都是一场不容错过的盛宴，比如发生在2017年8月21日的日全食，是近四十年来首次完整穿越美国全境的日全食，民众为之轰动，纷纷赶往日食地点围观，日食沿途的旅馆，于半年前预定一空，美国交通部甚至需要提前规划交通措施，以应对观看日食车辆引起的拥堵和安全问题。
科学家们对日食现象有着不同的兴趣点。
01
太阳的表面并不平静！位于太阳大气最外层的日冕，是太阳风暴的发源地，其释放的巨大能量和粒子会奔袭向地球，导致极光等一系列空间天气现象。然而，一般我们很难直接观测到日冕，这是因为日冕被太阳光球的巨大光芒掩盖。所以，科学家通过给太阳加一个“挡板”（日冕仪）对日冕进行观测。而当日食发生时，月球就起到了“天然挡板”的作用，在地面上就可以观测到非常清晰日冕结构，这为太阳物理研究提供了完美的实验场所。
日食期间日冕观测的示意图
空间天气学家对日食的关注远不只太阳本身，更重要的是太阳活动对地球的影响。
02
地球高层大气受到太阳活动的强烈影响。高层大气通常是指从地面约60公里开始，一直延伸到1000公里高度的地球大气区域。在太阳的极紫外、X射线等辐射的作用下，地球大气可以被部分电离，形成电离层。因此，在高层大气区域，中性的大气与电离层相互共存、相互依赖，并共同受到太阳活动的调制。
高层大气示意图
高层大气与我们的生活息息相关。它是绚烂极光表演的“舞台”，高层大气的“风吹草动”也能直接影响低轨道卫星的精密定轨和机动变轨等。此外，电离层能以各种不同的方式反射和吸收无线电波，对通讯和导航造成影响。这也是科学家一直追寻高层大气科学奥秘的原因所在。
高层大气与我们的生活息息相关。
日食期间，月球会挡住来自太阳的辐射，减少光电离率。同时，太阳注入地球大气的能量减小，导致大气温度的降低。因此，可以想象，日食能对高层大气产生剧烈影响。
讲到这里，大家可能会有疑问， 那日食对高层大气的影响不就相当于白天突然变成黑夜吗?
答案为：“是，亦不是。”
长期以来，日食对高层大气影响的研究，大都集中在日食区域内的电离层变化。早在上世纪五六十年代，研究者们就通过电离层测高仪、非相干散射雷达等，发现电离层电子浓度在日食期间下降，日食结束后恢复的现象。所以在这一层面上，日食现象确实类似于白天变成黑夜。
日食阴影区域内电离层电子浓度急剧减小，影响通讯（Zhang et al. 2017）。
随着电离层探测技术的发展，科学家发现日食能引起全球范围内的高层大气扰动。一方面，犹如“一石激起千层浪”，日食造成的突然温度降低也能引起多种尺度波动，包括全球范围内的大尺度重力波，且波动向全球范围传播，影响全球高层大气。另一方面，研究者惊奇地发现，电离层电子密度在非日食阴影区域也能造成剧烈扰动。
理论分析的高层大气对日食的响应（Dang et al. 2018）。
研究者们已经利用数值模型对本次日食的高层大气效应进行了预测。本次日食的独特之处在于，它正好穿过电离层赤道异常区域，模拟结果显示，由于大气-电离层耦合作用，即使赤道异常区域仍处于日食阴影范围内，该区域的电离层电子密度，可能不是减少，而是出现显著的增强。
2020年6月21日日环食理论预测结果（Dang et al. 2020）。
对于2020年6月日食的观测，我国空间科学家也早已整装待发。子午工程是我国空间天气领域唯一的国家重大科技基础设施，是由我国科学家创新性地提出的空间环境地基综合监测网。利用东经100°E和北纬40°N两条观测链与东经120°E和北纬30°N观测链组成“井”字型探测布局，以链为主、链网结合的，运用地磁（电）、无线电、光学和探空火箭等多种手段的监测网络。期待如此“天罗地网”为我们带来对日食空间天气效应的新认识。
我国重大科学工程子午工程示意图