夏至約你看“金邊日食” －遮天蔽日的空間天氣效應
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， 想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，經過沙烏地阿拉伯和印度等，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、臺灣等地，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，吸引著成千上萬的天文、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。
不同型別日食
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著不同的興趣點。
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，科學家透過給太陽加一個“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“舞臺”，高層大氣的“風吹草動”也能直接影響低軌道衛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，導致大氣溫度的降低。因此，可以想象，日食能對高層大氣產生劇烈影響。
講到這裡，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，研究者們就透過電離層測高儀、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）。
隨著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”，日食造成的突然溫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路。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