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日全食：现代科技和天文奇观在太阳上的邂逅
370年一轮回；科学价值非同一般；2035年再见
在日全食出现前的两三分钟里，天光似乎不是逐渐地变暗，而是像坐滑梯一样突然黑了下来。月亮的影子也像一朵飞云一样，从西边迅速地飘了过来，又黑又快。
作为一位天文学家，7月22日发生在中国境内的日全食对于中科院云南天文台研究员林隽来说，已经期待了很久。因为他的研究方向正好是理论太阳物理以及对各种太阳活动的分析和研究。
“太阳实际上与天上的群星一样，是一颗普通的自己能发光的星。但是，它比其他的恒星距离我们要近得多。”这也意味着对太阳的各种研究，很有可能会使人们对遥远恒星甚至宇宙的认识更进一步。
在接受《科学时报》记者采访时，林隽说：“不论对科学家还是天文爱好者，日全食都是一次观测太阳的绝佳机会。”
370年一轮回
科学史上最著名的一次日全食观测，是1919年5月29日爱丁顿验证爱因斯坦广义相对论的观测。当时，英国剑桥天文台爱丁顿博士成功地取得了日食观测资料，经过仔细测量、分析和计算，得到的偏转角为1.64角秒，这一数值和爱因斯坦理论上预言的1.75角秒非常接近。这就无可辩驳地验证了广义相对论的正确性。
从整个地球来讲，日食甚至日全食的发生概率并不是很低。科学计算表明：每年都有2～4次日食，个别年份还可能发生5次。仅就日全食而言，大约每100年发生65次，平均1年多也会有一次。
但是，每次能够看到全食的只是一条宽度为两三百公里的狭长地带，面积不到地球总面积的1%，大约需要375年才能够让整个地球表面都轮上一次。因而对于每一个具体的地方来说，日全食就成了难得一见的自然奇观，有统计表明，同一地点两次看到日全食，大约平均间隔370多年。
“平均每次全食的最长时间也只有3分30秒。”林隽说，“7月22日发生的日全食之所以备受关注，正是因为持续的时间长，因此很多科学家也认为这是本世纪最重要的一次日全食。”
这一次日全食从印度西部开始，月影将花费8分钟时间扫过印度。再扫过尼泊尔最南部和孟加拉国极北部，经过不丹国的大部分，穿越缅甸北部，擦过西藏一角(察隅)，进入云南，最终，在太平洋东部结束。全食带面积只占地球表面的0.71%，而且很大一部分在海上。因此，这一次日全食的最佳观测地点在我国。
7月22日，月亮离地球的距离会比平时近，而太阳离地球比平时远，从地球观测，月亮的直径看起来比太阳大了接近8%，因此日全食的时间就特别长。
“这次在日全食的中心点，持续时间最长可以超过6分半钟，是1991年到2132年间全世界日全食持续时间最长的。不过，只有在太平洋里观测才能够达到这样的时长，对于我国陆地观测，上海可以达到5分钟，这是1814年以来在我国境内能够看到的最长的一次日全食。”林隽解释说。
“通过肉眼，人们一般只能看到太阳的光球表面，有时可以看到太阳上的黑子。对太阳内部的认识，是科学家通过各方面科学研究的结果，现在都还在不断地加深认识。太阳外部的色球、日珥、日冕等现象，人类最早也是在日全食期间才可能看到和进行研究的。”林隽说。
科学价值非同一般
科学家们最初对日食的观测研究是从天体力学的角度进行的。19世纪中叶以后，随着光学、天体分光学和照相技术的发展和应用，日食观测才转而研究太阳本身的物理状态。
太阳是太阳系大家族的中心，它已经存在了大约50亿年，现在正处于旺盛的“青壮年”时期。林隽形容说，看起来太阳表面就像煮开了的一锅大米粥，有着不断上下翻腾的“米粒”状结构，并且有着强的磁场。
利用日食，人们可以观测平时不可能出现的一些特殊天象，最明显的就是观测太阳周围的亮环，也就是太阳的大气层——日冕。
“日全食阶段是用肉眼观看日冕的独一无二的机会。当月球将十分耀眼的太阳完全挡住的时候，我们才能够看到日冕，日冕也和黑子一样有着11年的变化周期。”林隽说。
白光日冕照相是日全食观测的经典项目，它对研究日冕的亮度、形态、日冕精细结构(如冕流、拱状结构、冕洞等)、日冕磁场等均有重要意义。日冕是太阳大气的最外层，非常稀薄、暗弱，亮度只有太阳本身的百万分之一，即使在日偏食和日环食的时候也看不到它。
林隽介绍说，在日食观测史上真正能成功得到理想的白光日冕照相也并不多，这是因为要成功获得这样的照片对仪器有很高的要求：首先，在较高的光学空间分辨率条件下，要有几米长的长焦距照相机；其次，对所有的内冕特征都要有一个合适的曝光时间；再次，需要一块合适的径向减光板，以弥补内外日冕强度的不均匀性。使用精心设计的径向减光板，天文学家可以拍到1～6个太阳半径范围内的日冕白光照片。
上世纪70年代以来，随着各类科学卫星上天和空间技术的迅速发展，特别是SOHO卫星上天后，在非日食期间可以观测到20个太阳半径范围内的日冕，使人们的眼界大大地开阔。
日冕白光偏振观测也是一项重要的内容。科学家在1871年就发现日冕白光存在偏振光，而且有较高的偏振性，这跟大气磁场有关。因此，在日食观测时白光偏振观测几乎是一个传统项目，科学家认为光的偏振可能是日冕大气中自由电子的“汤姆逊散射”引起的。
林隽说：“该项观测主要研究日冕的偏振方向，偏振随太阳活动周期的变化，太阳两个极区和赤道区偏振的差异，日冕偏振度沿太阳半径方向的变化等，并从观测上验证"汤姆逊散射"机制，研究日冕高偏振度的精细结构。”
而光谱观测需要采用光谱仪器(也称摄谱仪)进行，它是将日冕像成在光谱仪的狭缝面上，这样将只有小部分日冕光从狭缝进入光谱仪内，并通过光栅分光，按不同的波长排开，形成一条彩色的光谱带，然后，科学家们会将自己感兴趣的几个波段会聚成光谱像，并拍摄成照片。
由于日冕光度较弱，日冕的光谱观测比白光和偏振观测要更困难一些。要研究太阳日冕内的物理性质，如日冕温度、电子密度、物质运动速度、化学组成和元素丰度等，都离不开光谱观测。
“通过对谱线形状的测量计算并借助某些理论指导，可以导出日冕内某些重要的物理参数，进而推测太阳日冕的物理状态。科学家通过日冕光谱研究发现日冕的温度高达几百万度，这是人们难以想象的高温。”林隽说。
闪光光谱观测是日食中最困难的观测项目。太阳色球层是太阳光球层上面的大气薄层，厚度仅约2000公里左右，只有当月轮快要把日轮完全掩食完的一瞬间和日轮快要从月轮背后露出的一瞬间，太阳色球层才有机会显露出来，仅有十多秒的时间可以利用。
“由于这项观测的难度大，成功获得闪光光谱的日食观测资料并不多。”林隽说，我国的天文学家首次取得闪光光谱资料是在1980年云南日全食期间。2008年在我国甘肃日全食中，中科院云南天文台的天文学家不但成功观测到太阳色球的闪光谱，而且得到色球光谱的偏振观测资料，这是国外天文学家多年来想做而未能成功的项目，因此引起国际上极大的关注。
闪光光谱(包括连续谱)观测资料是极其宝贵的，对它的处理和分析研究可获得太阳色球层的大气模型，即大气内温度、密度、速度、化学元素及丰度等重要物理量随太阳高度的分布情况。
2035年再见
“从去年开始，就陆续有国外的科学家和我联系，想来中国看这次日全食。”因为机会十分难得，林隽也早就作好了观测的准备，但为了能让公众更为科学地观测这次难得的日全食，林隽放弃了去现场的机会，选择了在媒体上当嘉宾。
“下一次我国境内再能见到日全食则要等到26年后的2035年，还只有西藏等边远地区才能看到。”林隽说，随着科学的发展，天文学家已经完全知道了为什么会发生日食，以及每次日食大致过程是什么样的。
在全食出现前的两三分钟里，天光的变化似乎不是逐渐地，而是像坐滑梯一样突然降了下来。月亮的影子也像一朵飞云的影子一样，从西边迅速地飘了过来，又黑又快。
林隽认为，全食阶段是观测中最有意义的。比如，红色的、比日冕稍亮一点的喷发日珥，离太阳始终很近的水星，还有包括金星在内的几颗亮星陪伴，都是观测中的关注点。
“这一次，水星在太阳东面，离开太阳大约10度——也就是说，向前伸开你的手臂，大概一拳头宽的距离。而金星在太阳西面大约44度。地平线附近，则似乎是傍晚的景色。”林隽说。
虽然不能亲临现场，但林隽并不感到太遗憾。
“我国天体物理研究水平的进步是巨大的，连国外的科学家都在感叹，也意识到了中国科学家的工作是不能忽略的。”林隽表示。
“目前，我国非常重视天文学发展。比如，正在建设的世界最大单口径射电望远镜FAST，它在国家重大需求方面有重要应用价值。”林隽认为，天文学研究在很大程度上依靠观测，一旦拥有更为先进的观测仪器，也就等于比其他国家先行了一步。
“日全食很难得，但更为重要的是，可以激发起一部分青少年对天文的兴趣，这对未来我国天文学研究储备人才，意义十分重大。”林隽说。
(来源：科学时报)