|
神奇的人造日全食
（2008年07月29日 19:29:15）
来源：中国国家天文
|
|
|
□作者: 王家龙
[1]
壮观的日全食是进行太阳物理研究的重要观测手段，但这对想要解开太阳之谜的学者们来说远远不够，他们经过长期探索，发展出了多种观测太阳大气层的手段，“人造日全食”是其中一种。
日全食的启迪与贡献
今年8月1日我国哈密、酒泉等地如果是晴天，将会有机会看到日全食。可以想见，届时会有大量业余天文爱好者和专业人士聚集该地，一睹天赐奇景。同时，他们也会抓住时机，尽量高效率的运转观测设备，以便获取尽量多的资料。
所谓日食，是指月球运行到太阳和地球之间时，在地球表面上月影区域里的人所见到的太阳被月亮遮挡的现象。在历史上，因为对日食的形成原因不清楚，日食曾形象地被称为天狗吃太阳。日食的前半段过程，从初亏至食甚，看起来确实很像是太阳逐渐被吞食。不过，日食的后半段过程，并不表现为被吞掉的太阳又被吐出来，而是最先被吞掉的部分被最先吐出来。所以日食过程更像是用块圆板从太阳一侧移到另一侧的遮挡过程。日食时，地面上位于月影中心区的人，看到的是日全食或日环食，位于月影半影区的人，看到的则是日偏食。壮观的日食在科学研究上也意义重大，深受人们的追捧。而人造日食的主要目的就是造出可供观测的日全食，协助我们了解太阳的外层大气——日冕，这个产生巨大环境扰动的温床。
我们容易想到，如果月亮绕地球运行的轨道和地球绕太阳的轨道在同一个平面里，那么月亮每绕行地球一圈，就会产生一次日食，也就是说，每个月会有一次日食。然而，月亮绕地球的轨道和地球绕太阳运行的轨道并不是在同一个平面里，两个轨道平面之间夹着一个小的角，所以从地球上看，太阳的位置越接近上述两个轨道的交点，才越可能发生全食现象。实际上，只要太阳的位置到这两个轨道的交点距离小于一定的值，就会有日食发生。据统计，在地球上的同一地点，平均三百多年才有一次日全食，每次日全食的时间也只有几分钟。
1968年，中国科学院组织天文、地球物理和气象界人员对新疆地区9月22日发生的日全食作了考察，本人是考察队成员之一。这是20世纪50年代以来我国的首次规模较大的日全食综合考察。偏食开始后，晴朗天空的亮度渐渐下降，草原和山丘上的牛羊马匹依旧安详地低头吃着秋草。全食开始前的一瞬间，一股猛烈的冷风突然刮起，席卷了大地。天空骤然变暗，正在食草的牲畜狂奔乱跑，大声嘶鸣，刹那间天地一片漆黑……其情其景何止神奇，简直令人震撼，领悟了一次大自然的威力。那次日全食在新疆昭苏县只持续了约19秒。
日全食的现象使我们感兴趣的原因次数少，持续时间短，更重要的是，日全食向我们提供了一个难得的认识太阳的机会，了解太阳对我们生存环境如何影响的机会。科学技术的发展，为我们观测日全食的望远镜提供了诸多可以选择的附属设备，如光谱仪、滤光器、偏振器等，观测结果大大丰富了我们的太阳知识。日全食观测研究告诉我们，在日常的非日食期间看到的发着强光的太阳只代表了太阳大气的底层，称为光球层。在底层之上还有两个层次，其中一层是厚度几千公里的中间层，称为色球层，它的物质密度远低于光球层，但温度高于光球层；另一层是太阳大气的高层，称为日冕层，它的密度更小，但温度极高，可达百万度。这三个物理性质截然不同的层次，共同组成了太阳大气。我们在日全食时拍摄到的，存在于太阳周围的云状物，有时可高达百万公里，这就是日冕，是高层太阳大气。许多神秘有趣的现象就出现在日冕之中。比如1869年一次日全食观测中发现，日冕所发射谱中有一条陌生的波长为530.3nm绿色谱线，起初认为是一种新的气体，称之为？辐射，后来认证出它是13次电离的铁离子发出的谱线。这样的一些发射谱线的认证，帮助我们认识了日冕是高温、极稀薄的和高电离的物质，它辐射的白光乃是其自由电子对光球辐射的散射。
日全食观测发现，日冕的总体形状与太阳活动的水平有关，形状变化的周期与太阳黑子的周期变化相一致。从而可能影响地球的空间环境。更有启发意义的是，日全食期间有时会观测到日冕中不同尺度的瞬时活动或变化。
人造日全食——日冕仪的发明与应用
日全食的观测还使人们认识到，极稀薄的日冕气体导致了日冕的极弱的辐射。即使在日冕下部亮度较大的部分，其亮度也只有太阳光球表面中部区域平均亮度的百万分之一。非日全食期间地球大气的散射光，再加上望远镜镜筒内的散射光，必然使亮度很低的日冕辐射被完全淹没而无法看到。
这样，不管是由于好奇心和求知欲驱使，或者实用所需，要想知道日冕的奥秘，除了充分利用日全食提供的机会之外，还必须设法解决在非日全食期间对日冕进行观测的问题。开发和利用日冕这个知识源的思路之一，是使太阳望远镜长时间的飞行在阳光照射月球形成的月影里，如同总是在地面日食带一样。上世纪60年代，美国曾使用飞机作追随月影的飞行，以便加长日全食的观测时间，不过从投资、技术设备等方面考虑非永久之计。另一种设想，就是人工造成日食状态，让望远镜的接收系统能够感到和记录日冕的辐射。因此，首先必须设法模仿日食过程，遮挡住太阳光球的强光，还需大量减少地球大气的散射光，从而使日冕辐射由被淹没状态突显出来。法国天文学家里奥成功地实现了这种设想。
1931年里奥发明了日冕仪，开启了人造日食观测与日全食观测并行的时代。这种日冕仪的原理是：(1)在望远镜镜筒里的物镜焦点处放置一块圆版，只把太阳光球射来的光遮挡住，并且把挡住的光从镜筒上的开口反射出去；(2)用光栏和遮板等将望远镜镜片和光栏等产生的衍射光与杂散光截挡住。为了减少地球大气的散射光，这种日冕仪需要安装在海拔2千米以上的高山上。因其遮挡光的遮板是置于望远镜的筒内，故称内遮挡式日冕仪。20世纪，里奥式日冕仪在法国、日本、前苏联及美国夏威夷和新墨西哥州等地的高山上纷纷投入观测。每个晴天，使用这种仪器可以长时间的观测日冕。为了不同的研究目的，在望远镜的终端或光路中可装上不同的附加设备。实际应用表明，里奥日冕仪还不能完全避免散射光的影响，应用这种日冕仪最多只能观测到距日心1.3倍太阳半径处的日冕。各国的高山日冕仪已投入使用多年，做科学研究性和常规数据性工作。观测的设备和数据资料向世界开放。
再辟新径相辅而行
诚然，用日冕仪可以长时间的监测日冕。然后，正如前面提及的，这种观测与日全食观测类似，只限于观测日面边缘以外的日冕，观测到的是日冕边缘外的日冕在天空背景上的投影。除此之外，如果能够观测太阳圆面上的日冕必会大大提高我们认识日冕的能力。例如，可以把日面上与日面边缘外的日冕观测结果综合起来，构造出日冕结构的三维形态，甚至为研究日冕中的物理机制创造条件。这肯定是日冕观测多年的期盼。
以光球为背景观测日冕，正如在背景强度是信号强度的百万倍的情况下，来探测日冕信号，如果不改变思路，将会面临很难克服的困难。这就迫使新的日冕观测仪器的设计必须另辟新路，单靠散射光强度的减小是无济于事的。这个新的思路就是拍摄太阳的单色像。这条路不属于人造日食的主题，但它与日全食观测、人造日食观测(高山日冕仪观测)是相互补充的三个重要手段，值得一提。
日冕具有百万度的高温，光球的温度只有6000度。这种差距为日面上的日冕观测提供了物理依据，那就是在X射线波段、远紫外波段和射电波段(即无线电波段)日冕的辐射强度大大高于太阳光球的辐射强度。如果在这几个波段对太阳拍摄单色像，应该可以清楚地显示出日面上日冕的结构、形态，而无光球的干扰。考虑到地球大气对紫外和X射线的吸收，这两个波段的太阳单色像需要在空间借助火箭或人造卫星来获取。
射电波段的太阳单色像可以在地面上取得，所用的设备最典型的是，20世纪60年代到80年代在米波单色像观测方面成果最多的澳大利亚米波日像仪。上个世纪40年代，美国用火箭探测太阳的X射线辐射。1964年用火箭拍到了日冕中低密度的区域(称为冕洞)。1967年，美国轨道太阳天文台系列探测卫星之一的OSO-4号首次成功拍到太阳的极紫外单色像。
在天上作人造日食观测
在太空作人造日食观测，简言之就是把高山日冕仪送上天，观测日冕。
科学技术不断发展，每前进一步就会有新的问题或新的知识点出现，成为下一项研究工作的动力。这一次轮到的是日冕物质抛射的发现及其推动的相关研究，其中主项之一是用高灵敏大视场的日冕仪作白光观测。
日全食、日冕仪和单色光仪三条路的相辅而行的结果，使得上世纪60年代起又逐渐形成了一个热点，就是日冕中的瞬变现象，特别是大尺度的快速变化及物质抛射现象和过程。
1971年9月OSO-7卫星升空，一架白光日冕仪首次成功观测到了几个日冕瞬变或者说日冕物质抛射事件。接着“天空实验室”在日面边缘之外的0.5～0.8太阳半径范围内，在1973年～1974年的225个观测日中观测到了70次白光日冕物质抛射事件(简称CME)。此后，美国国防部P78-1卫星观测到2.5～10太阳半径范围内的1200多次CME，“太阳极大观测”卫星观测到0.6～6.0太阳半径范围内的1300多次CME。大量的观测资料，提出了CME是什么，CME是如何形成的以及CME对日地空间有什么影响的一系列动力性的问题。极大地推进了研究工作，认证了CME是比太阳耀斑还重要的空间环境绕动源。
当前正在运行于空间的白光日冕仪有三架，它们搭载于1995年发射的SOHO(太阳和太阳风层探测器)卫星上，这个项目是美国宇航局与欧洲航天局合作的产物。三架日冕仪的视场分别是1～1.3太阳半径、1.5～6太阳半径和3～30太阳半径。
三架仪器中视场最小的，仍旧用了内遮挡式日冕仪。而大视场的日冕仪，则用了外遮挡的方式来减小镜筒中的散射光，以便能拍摄到走得更远的CME事件。外遮挡式是将遮板置于望远镜前面。SOHO的观测数据不但产生了大量研究成果，而且已经投入空间天气常规服务工作。
人造日食毕竟是人造的日食，它可以用于观测日冕，研究大尺度大范围的快速的日冕结构变化及物质抛射事件，但它是望远镜镜筒里的日食，不能与自然界的日食相比，它决无自然日食的巨大影响力，与有剧烈影响的自然发生的日全食是无法相比的。
从日全食到日冕仪，从单色像仪再到太空日冕仪，科学研究也许就是这样地演绎着事物盘旋上升的发展过程。
转载文章请首先阅读有关转载说明
文章作者:王家龙
责任编辑:skylook
|
|
[1]
|
上一篇：时间旅行，现在出发？
下一篇：宇宙最初几微秒
|
|
|
|
|
 相关信息:
|
文章评论(0):
-
（ - ）
|
|
|
|
|
系统菜单 |
|
|
|
系统登录 |
|
|
|
企业合作 |
|
|
|
|
|
