2024.4.8 北美日全食期间的日面与日珥 (Credit: Sumeet Kulkarni/Nature)

2024年4月8日（北京时间4月9日凌晨），“天狗食日”的天文奇观在全球上演！美国、墨西哥和加拿大等北美国家的多个城市都能陆续观测到日全食。今年的日全食仅此一次，其震惊人心的景观无疑为大家带来了一场宇宙级的视觉盛宴！

2024年4月8日拍摄到的日全食照片（图片来源于NASA）

1、什么是日食？

“天狗食日”的说法来自于中国的古老传闻，它描述了天空中出现的一种奇异现象——日全食。在古时候，当日全食发生时，太阳渐渐被遮挡，天空渐渐暗淡，最后陷入一片黑暗。《尚书·夏书·胤征篇》中便有如此的记载：“乃季秋月朔，辰弗集于房，瞽奏鼓，啬夫驰，庶人走。”这段文字生动地描绘了当时大家面对日食的恐慌场景：乐官击鼓试图吓走传闻中的天狗，百姓们慌乱地四处奔散。

伴随自然科学的进步，大家渐渐认识到，日食其实是一种正常的天文现象。当月球运动到太阳和地球中间时，月球挡住了太阳射向地球的光。从地球上望去，太阳会看上去不完整，甚至完全被遮挡，天空就因此变得昏暗，但这个过程一般只能持续几分钟。

2024年4月8日日全食过程合成图片（图片来源于NASA）

2、日食的成因及分类

依据几何光学的有关性质，光线在均匀介质中沿直线传播。结合生活知识，假如有一个物体挡住了由光源发出的光线，而光线只能直线传播没办法绕开物体，物体背面那侧就会形成阴影，也就是大家常说的影子。从阴影中朝着光源方向看去，就会发现光源被物体遮挡。同理，当月球运动到太阳和地球中间，在地球上坐落于月球影子中的大家没办法看到完整的太阳，这就是所谓的日食现象。

大家都知道，地球绕着太阳转，月球绕着地球转。地球的公转周期为一年，月球的公转周期约为一个月。月球的每一次公转都要会运动到太阳和地球之间，那为何不是每一个月都会发过生日食呢？从图3示意图中大家可以看到，地球公转所在的平面（即黄道面）与月球公转的平面（即白道面）并非重合的，而是存在约为5°的夹角。这个夹角的存在使得日食的出现愈加苛刻，只有当月球运动到其轨道与黄道面的交点，且这个交点要恰好在日地连线上时才会出现日食。

图3 黄道面和白道面示意图（图片来源于互联网）

日食依据其形态可以分为日偏食、日环食和日全食。要想讲解为何有这类不一样的形态，大家需要从日食的原理出发。

太阳是一个巨大的发光球体，因此大家不可以把太阳简单地看成一个点光源，但大家可以把它看成无数个点光源的集合。如图4中所示，可以先选取太阳最上方的一个点光源，再做该点光源与月球的两条切线。这个点光源朝着月球方向发出的所有光线都在这两条切线之间。而在这片地区中介于地球和月球之间的那部分，会由于月球对光线的阻挡而变成阴影。假如察看者坐落于地球上的这个阴影地区内，就将没办法看到这个点光源，转而看到的是太阳上的一个小黑点。

图4 日食原理示意图（图片来源于互联网）

显然，在太阳的最上方到最下方无数个点光源中，伴随点光源地方的变化，每个点光源在地球上对应的阴影范围也会变化。这类阴影中，存在一个特殊的交汇地区，即所有点光源阴影的重叠部分，那也就意味着在这个地区内是没办法看到任何点光源的，大家称之为“本影”。地球上处于本影地区内的大家将没办法看到太阳的任何部分，他们看到的就是日全食。

而对某些地区来讲，或许会出现另一种状况，它坐落于太阳上方点光源的阴影之内，但它同时又在下方点光源的阴影以外，这也就意味着在这类地区之内看不到太阳的上半部分，但能看到太阳的下半部分。对于这类只能看到部分太阳的地区，大家称之为半影，半影内看到的就是日偏食。

图5 2024年4月8日拍摄于美国印第安纳州的日偏食（阶段）照片（图片来源于NASA）

日环食则是一种更为特殊的日食，它与日全食相比还需要额外的条件。月球与太阳的直径比约为1:400，地月距离与日地距离的比值恰好也接近这个值。这也就意味着从地球上看，太阳和月球的视觉大小是相当的。而依据开普勒第肯定律，天体的公转轨道其实是一个椭圆。也就是说，月球与地球的距离会时远时近。当月球离地球较远时，依据近大远小的原理，大家看到的月球就会变小。将上述状况应用到日食，假如“变小”的月球不足以遮挡住整个太阳，太阳的边缘就会像一个金色的光环一样显露出来，也就形成了大家所说的日环食。

2010.1.15 在山东大学威海天文台拍摄的日环食“金环日落”

3、日食现象的科学价值

日食不止是一种难得一见的天文景观，给大家带来视觉上的震惊与享受，还蕴藏着丰富的科学价值。

早在1919年，英国科学家亚瑟·爱丁顿领导了一次日全食的观测，并通过这次日全食的观测成功证实了爱因斯坦广义相对论的正确性。

除去证实科学理论，日食还为太阳大方的观测提供了绝佳的机会。太阳大方由内而外分别是光球层、色球层和日冕。光球层就是一般所说的太阳表面，明亮且活跃。日冕是太阳大方的最外层，亮度约为光球亮度的百万分之一，所以在平时的观测中没办法大家直接观测到日冕。而当日全食发生时，月球完全遮住了光球层，使得大家有机会观测到平时很难窥见的太阳结构，比如日珥、日冕等。同时大家也能借此机会研究太阳活动的磁场、能量释放和物质的运动等，进一步知道太阳的结构和运行机制。图6展示了专业望远镜在日全食期间拍摄到的太阳大方图像，图中可以明确地看到冕流和日珥等结构。

图6 2016年3月9日拍摄于印度尼西亚的日全食照片（图片来源Miloslav Druckmu ̈ller, http://www.zam.fme.vutbr.cz/~druck/eclipse/Index.htm）

日食现象还启发了一项要紧的科学创造——日冕仪。日冕仪是一种专门用于观测太阳日冕的天文仪器。在20世纪30年代，法国天文学家伯纳德·莱奥特深受日食现象的启发，他模仿日食期间月球遮挡光球的原理，设计出了可以遮挡太阳光球的观测仪器。这一革新使得科学家们可以在非日食时段也可以观测到日冕，很大地拓宽了太阳观测研究的时间和空间范围。

日冕仪的创造很大地促进了太阳物理学的进步。这种精密的仪器使大家可以深入观测低日冕，为解开日冕加热和太阳风起源等核心科学问题提供了宝贵的线索。低日冕不止是日冕物质抛射的发生和加速地区，更是空间天气学应用范围关注的焦点。通过对其拓展持续、精准的监测，大家可以为空间天气预测和防范提供重要数据，保障卫星运行安全，降低太空探索的风险。伴随科技的不断突破，日冕仪也在不断革新健全。

让人振奋的是，2023年山东大学空间科学研究院太阳大方物理与探测课题组成功牵头研制和建设了国内首台自研光谱成像日冕仪。这台仪器的建成标志着国内在日冕观测范围迈出了坚实的一步。经过严格的工艺测试，它成功获得了首批日冕观测图像，数据水平达到了国际一流水平。这一收获不只彰显了国内科研实力的提高，更为大家深入探索太阳奥秘、推进太阳物理学和空间天气学的进步奠定了坚实基础。

图7 光谱成像日冕仪的观测图像（山东大学空间科学研究院）

结语

通过前面的剖析大家获悉，日食的出现需要同时满足很多条件，而且只有在某些特定的地区才能观测到日食。遗憾的是，本次日食在国内境内没可观测地区。但好在现代拥有发达的互联网社交媒体，大家仍可以通过互联网媒体一睹日食风采！

除此之外，也让大家一同追逐将于2026年（西班牙）、2027年（埃及）及2028年（澳洲）暑期发生，并翘首期待将在2034年与2035年出目前国内的多场精彩日全食奇观吧！

将来几年的暑期日全食及观测地状况图（图及数据来源于timeanddate，逺才老师编辑制作）

作者：黎俊，山东大学空间科学与物理学院、2023级地球物理专业硕士研究生科普轮值主编：郑瑞生（山东大学空间科学研究院教授，山东天文掌握太空科学与探测专业委员会委员）编辑：山东大学空间科学研究院科普团组

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