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夏至約你看“金邊日食” -遮天蔽日的空間天氣效應

由 沈建伏 發佈於 科技

夏至約你看“金邊日食”

遮天蔽日的空間天氣效應

2020年6月21日的夏至節氣,我們將迎來完整穿過中國全境的日環食,而錯過此次機會, 再次在中國境內看到日食只能等到10年後了!

2019年日環食

本次日食從剛果民主共和國開始,經過沙特阿拉伯和印度等,並從西藏阿里地區進入我國。在我國境內,日食帶穿過我國西藏、四川、貴州、湖南、江西、福建、台灣等地,這些地方的民眾可以觀賞難得一見的日環食,而其他地區只能看到日偏食。值得一提的是,日環食將經過廈門的鼓浪嶼地區,屆時這一旅遊勝地將吸引大批遊客駐足,欣賞“金邊日食”奇景。

2020年6月21日日環食中國各地見食 時間表

對於日食,想必大家並不陌生,日食以其短暫卻絢爛絕妙的演出,吸引着成千上萬的天文、攝影愛好者和普通民眾的目光。

2017年日環食

月球運動到地球和太陽中間,遮擋了來自太陽的光照,從而形成日食。日食可以分為日全食、日偏食和日環食三種。太陽被完全遮住的部分叫日全食、部分遮住的為日偏食。而日環食是指月球未能完全遮住太陽,且在外側漏出一圈太陽日面,又稱“金邊日食”。三種日食的發生取決於太陽、地球和月球之間的相對關係。

不同類型日食

觀測日食的粉絲們

每次日食的發生都是一場不容錯過的盛宴,比如發生在2017年8月21日的日全食,是近四十年來首次完整穿越美國全境的日全食,民眾為之轟動,紛紛趕往日食地點圍觀,日食沿途的旅館,於半年前預定一空,美國交通部甚至需要提前規劃交通措施,以應對觀看日食車輛引起的擁堵和安全問題。

科學家們對日食現象有着不同的興趣點。

01

太陽的表面並不平靜!位於太陽大氣最外層的日冕,是太陽風暴的發源地,其釋放的巨大能量和粒子會奔襲向地球,導致極光等一系列空間天氣現象。然而,一般我們很難直接觀測到日冕,這是因為日冕被太陽光球的巨大光芒掩蓋。所以,科學家通過給太陽加一個“擋板”(日冕儀)對日冕進行觀測。而當日食發生時,月球就起到了“天然擋板”的作用,在地面上就可以觀測到非常清晰日冕結構,這為太陽物理研究提供了完美的實驗場所。

日食期間日冕觀測的示意圖

空間天氣學家對日食的關注遠不只太陽本身,更重要的是太陽活動對地球的影響。

02

地球高層大氣受到太陽活動的強烈影響。高層大氣通常是指從地面約60公里開始,一直延伸到1000公里高度的地球大氣區域。在太陽的極紫外、X射線等輻射的作用下,地球大氣可以被部分電離,形成電離層。因此,在高層大氣區域,中性的大氣與電離層相互共存、相互依賴,並共同受到太陽活動的調製。

高層大氣示意圖

高層大氣與我們的生活息息相關。它是絢爛極光表演的“舞台”,高層大氣的“風吹草動”也能直接影響低軌道衞星的精密定軌和機動變軌等。此外,電離層能以各種不同的方式反射和吸收無線電波,對通訊和導航造成影響。這也是科學家一直追尋高層大氣科學奧秘的原因所在。

高層大氣與我們的生活息息相關。

日食期間,月球會擋住來自太陽的輻射,減少光電離率。同時,太陽注入地球大氣的能量減小,導致大氣温度的降低。因此,可以想象,日食能對高層大氣產生劇烈影響。

講到這裏,大家可能會有疑問, 那日食對高層大氣的影響不就相當於白天突然變成黑夜嗎?

答案為:“是,亦不是。”

長期以來,日食對高層大氣影響的研究,大都集中在日食區域內的電離層變化。早在上世紀五六十年代,研究者們就通過電離層測高儀、非相干散射雷達等,發現電離層電子濃度在日食期間下降,日食結束後恢復的現象。所以在這一層面上,日食現象確實類似於白天變成黑夜。

日食陰影區域內電離層電子濃度急劇減小,影響通訊(Zhang et al. 2017)。

隨着電離層探測技術的發展,科學家發現日食能引起全球範圍內的高層大氣擾動。一方面,猶如“一石激起千層浪”,日食造成的突然温度降低也能引起多種尺度波動,包括全球範圍內的大尺度重力波,且波動向全球範圍傳播,影響全球高層大氣。另一方面,研究者驚奇地發現,電離層電子密度在非日食陰影區域也能造成劇烈擾動。

理論分析的高層大氣對日食的響應(Dang et al. 2018)。

研究者們已經利用數值模型對本次日食的高層大氣效應進行了預測。本次日食的獨特之處在於,它正好穿過電離層赤道異常區域,模擬結果顯示,由於大氣-電離層耦合作用,即使赤道異常區域仍處於日食陰影範圍內,該區域的電離層電子密度,可能不是減少,而是出現顯著的增強。

2020年6月21日日環食理論預測結果(Dang et al. 2020)。

對於2020年6月日食的觀測,我國空間科學家也早已整裝待發。子午工程是我國空間天氣領域唯一的國家重大科技基礎設施,是由我國科學家創新性地提出的空間環境地基綜合監測網。利用東經100°E和北緯40°N兩條觀測鏈與東經120°E和北緯30°N觀測鏈組成“井”字型探測佈局,以鏈為主、鏈網結合的,運用地磁(電)、無線電、光學和探空火箭等多種手段的監測網絡。期待如此“天羅地網”為我們帶來對日食空間天氣效應的新認識。

我國重大科學工程子午工程示意圖