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夏至约你看“金边日食”-遮天蔽日的空间天气效应

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夏至约你看“金边日食”

遮天蔽日的空间天气效应

2020年6月21日的夏至节气,我们将迎来完整穿过中国全境的日环食,而错过此次机会,想再次在中国境内看到日食只能等到10年后了!

2019年日环食

本次日食从刚果民主共和国开始,经过沙特阿拉伯和印度等,并从西藏阿里地区进入我国。在我国境内,日食带穿过我国西藏、四川、贵州、湖南、江西、福建、台湾等地,这些地方的民众可以观赏难得一见的日环食,而其他地区只能看到日偏食。值得一提的是,日环食将经过厦门的鼓浪屿地区,届时这一旅游胜地将吸引大批游客驻足,欣赏“金边日食”奇景。

2020年6月21日日环食中国各地见食时间表

对于日食,想必大家并不陌生,日食以其短暂却绚烂绝妙的演出,吸引着成千上万的天文、摄影爱好者和普通民众的目光。

2017年日环食

月球运动到地球和太阳中间,遮挡了来自太阳的光照,从而形成日食。日食可以分为日全食、日偏食和日环食三种。太阳被完全遮住的部分叫日全食、部分遮住的为日偏食。而日环食是指月球未能完全遮住太阳,且在外侧漏出一圈太阳日面,又称“金边日食”。三种日食的发生取决于太阳、地球和月球之间的相对关系。

不同类型日食

观测日食的粉丝们

每次日食的发生都是一场不容错过的盛宴,比如发生在2017年8月21日的日全食,是近四十年来首次完整穿越美国全境的日全食,民众为之轰动,纷纷赶往日食地点围观,日食沿途的旅馆,于半年前预定一空,美国交通部甚至需要提前规划交通措施,以应对观看日食车辆引起的拥堵和安全问题。

科学家们对日食现象有着不同的兴趣点。

01

太阳的表面并不平静!位于太阳大气最外层的日冕,是太阳风暴的发源地,其释放的巨大能量和粒子会奔袭向地球,导致极光等一系列空间天气现象。然而,一般我们很难直接观测到日冕,这是因为日冕被太阳光球的巨大光芒掩盖。所以,科学家通过给太阳加一个“挡板”(日冕仪)对日冕进行观测。而当日食发生时,月球就起到了“天然挡板”的作用,在地面上就可以观测到非常清晰日冕结构,这为太阳物理研究提供了完美的实验场所。

日食期间日冕观测的示意图

空间天气学家对日食的关注远不只太阳本身,更重要的是太阳活动对地球的影响。

02

地球高层大气受到太阳活动的强烈影响。高层大气通常是指从地面约60公里开始,一直延伸到1000公里高度的地球大气区域。在太阳的极紫外、X射线等辐射的作用下,地球大气可以被部分电离,形成电离层。因此,在高层大气区域,中性的大气与电离层相互共存、相互依赖,并共同受到太阳活动的调制。

高层大气示意图

高层大气与我们的生活息息相关。它是绚烂极光表演的“舞台”,高层大气的“风吹草动”也能直接影响低轨道卫星的精密定轨和机动变轨等。此外,电离层能以各种不同的方式反射和吸收无线电波,对通讯和导航造成影响。这也是科学家一直追寻高层大气科学奥秘的原因所在。

高层大气与我们的生活息息相关。

日食期间,月球会挡住来自太阳的辐射,减少光电离率。同时,太阳注入地球大气的能量减小,导致大气温度的降低。因此,可以想象,日食能对高层大气产生剧烈影响。

讲到这里,大家可能会有疑问,那日食对高层大气的影响不就相当于白天突然变成黑夜吗?

答案为:“是,亦不是。”

长期以来,日食对高层大气影响的研究,大都集中在日食区域内的电离层变化。早在上世纪五六十年代,研究者们就通过电离层测高仪、非相干散射雷达等,发现电离层电子浓度在日食期间下降,日食结束后恢复的现象。所以在这一层面上,日食现象确实类似于白天变成黑夜。

日食阴影区域内电离层电子浓度急剧减小,影响通讯(Zhang et al. 2017)。

随着电离层探测技术的发展,科学家发现日食能引起全球范围内的高层大气扰动。一方面,犹如“一石激起千层浪”,日食造成的突然温度降低也能引起多种尺度波动,包括全球范围内的大尺度重力波,且波动向全球范围传播,影响全球高层大气。另一方面,研究者惊奇地发现,电离层电子密度在非日食阴影区域也能造成剧烈扰动。

理论分析的高层大气对日食的响应(Dang et al. 2018)。

研究者们已经利用数值模型对本次日食的高层大气效应进行了预测。本次日食的独特之处在于,它正好穿过电离层赤道异常区域,模拟结果显示,由于大气-电离层耦合作用,即使赤道异常区域仍处于日食阴影范围内,该区域的电离层电子密度,可能不是减少,而是出现显著的增强。

2020年6月21日日环食理论预测结果(Dang et al. 2020)。

对于2020年6月日食的观测,我国空间科学家也早已整装待发。子午工程是我国空间天气领域唯一的国家重大科技基础设施,是由我国科学家创新性地提出的空间环境地基综合监测网。利用东经100°E和北纬40°N两条观测链与东经120°E和北纬30°N观测链组成“井”字型探测布局,以链为主、链网结合的,运用地磁(电)、无线电、光学和探空火箭等多种手段的监测网络。期待如此“天罗地网”为我们带来对日食空间天气效应的新认识。

我国重大科学工程子午工程示意图

参考文献及图片来源:

1. Zhang S.-R., Erickson, P. J., Goncharenko, L. P., Coster, A. J., and Frissell, N. A. (2017). Monitoring the geospace response to the Great American Solar Eclipse on 21 August 2017. Earth Planet. Phys., 1, 72–76. http://doi.org/10.26464/epp2017011

2. Dang, T., Lei, J., Wang, W., Zhang, B., Burns, A., Le, H., et al. (2018). Global responses of the coupled thermosphere and ionosphere system to the August 2017 Great American Solar Eclipse. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 123, 7040–7050. https://doi.org/ 10.1029/2018JA025566

3. Dang, T., Lei, J. H., Wang, W. B., Yan, M. D., Ren, D. X., and Huang, F. Q. (2020). Prediction of the thermospheric and ionospheric responses to the 21 June 2020 annular solar eclipse. Earth Planet. Phys., 4(3), 1–7. http://doi.org/10.26464/epp20180

4. 一次日全食,一场科学盛宴。微信公众号“原理”。

5.https://www.timebulletin.com/

6.天文通

7.Rick Fienberg/Travelquest International

8.https://www.timeanddate.com/

9.Scott Olson/Getty Images

10.https://www.scienceofcycles.com

11.John Emmert/Naval Research Lab

作者:党童

美编:刘俞伶

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