探索黑暗：美国国家航空航天局从2024年日食中的突破性发现

2024年横跨北美的日食激发了众多由美国国家航空航天局（NASA）支持的研究项目，这些项目观测了日食对日冕、地球大气层和无线电通信的影响。通过地面望远镜、飞机、业余无线电传输和学生发射的高空气球，研究人员收集了大量数据。

2024 年 4 月 8 日，日食的影子被弗吉尼亚理工大学热气球上的摄像头捕捉到，这是全国日食热气球项目的一部分。 图片来源：全国日食热气球项目/弗吉尼亚理工大学

2024 年 4 月 8 日，日全食穿越北美，从墨西哥西海岸开始，横扫美国，最后在加拿大东北部结束。 为了研究这一事件，美国国家航空航天局（NASA）资助了几个研究项目，并招募公民科学家来探索太阳是如何影响地球的，特别是太阳的相互作用是如何影响地球大气层和无线电信号的。

在12月10日的新闻发布会上，出席在华盛顿特区举行的美国地球物理联盟年会的科学家们分享了其中几项与日食有关的研究的早期发现。

科学家和数以万计的志愿观测者驻扎在整个月影中，"位于华盛顿的NASA总部的月食项目经理Kelly Korreck说。 他们的努力是"太阳物理学大年"的重要组成部分--帮助我们更多地了解太阳，以及当我们的恒星的光芒从视野中暂时消失时，它是如何影响地球大气层的。

这部来自 Citizen CATE 2024 项目的初步影片拼接了 2024 年 4 月 8 日日全食期间从不同地点拍摄的日冕偏振图像。 图片来源：SwRI/Citizen CATE 2024/Dan Seaton/Derek Lamb

4 月 8 日，"公民 CATE 2024"（美洲大陆望远镜日食）项目从得克萨斯州到缅因州的当地社区派出了 35 个观测小组，在日全食期间捕捉太阳外层大气或日冕的图像。 他们的目标是观察日冕在全食席卷整个大陆时发生了怎样的变化。

12 月 10 日，科罗拉多州博尔德市西南研究所的 CATE 项目经理莎拉-科瓦克（Sarah Kovac）报告说，虽然有几个团队受到了云层的阻碍，但大多数团队都成功观测到了全食现象--总共收集到了 47000 多张图像。

这些图像是用偏振光或不同方向的光拍摄的，以帮助科学家更好地了解日冕的形成过程。

这张日全食图像是 2024 年 4 月 8 日美国宇航局一架 WB-57 飞机上的相机拍摄的 30 张 50 毫秒曝光的组合图像。 它是用电离铁原子发出的一种波长的光拍摄的。 这种 Fe XIV 发射凸显了在特定温度（约 320 万华氏度）下的电化气体（称为等离子体），它经常揭示日冕中的拱形结构。 资料来源：B. Justen， O. Mayer， M. Justen， S. Habbal， and M. Druckmuller

科瓦克分享了根据这些图像制作的电影的初剪。 该项目仍在将所有图像拼接成一小时长的最终影片，并将在晚些时候发布。

科瓦奇说："CATE 2024 的魅力在于，我们将最前沿的专业科学与来自各行各业的社区参与者融合在一起。每一位参与者的奉献使这一项目成为可能。"

与此同时，在距离地面 5 万英尺的高空，两架 NASA WB-57 飞机追逐着日食阴影飞越整个大陆，在云层之上进行观测，并将日全食时间延长至约 6 分 20 秒。

机上载有多个研究小组为研究日冕而制造的照相机和光谱仪（分析不同波长光线的仪器）。

凯斯西储大学的学生在 2024 年日全食期间操作无线电。 资料来源：HamSCI/凯斯西储大学

12 月 10 日，夏威夷大学的沙迪亚-哈巴尔（Shadia Habbal）报告说，尽管遇到了一个挑战，但他们的仪器还是收集到了宝贵的数据。 他们安装在飞机机翼上的照相机遇到了意想不到的震动，导致一些图像略微模糊。

不过，所有相机都捕捉到了日冕的细节图像，而位于飞机机头的光谱仪也没有受到影响。 结果非常成功，科学家们已经计划再次在飞机上进行类似的实验。

Habbal说："WB-57是一个非凡的日食观测平台，我们将努力在今后的日食观测中加以利用。"

4 月 8 日，作为"火腿无线电科学公民调查"（HamSCI）日食电离层科学节的一部分，业余或"火腿"无线电操作员在日食之前、期间和之后相互发送和接收信号。 6，350 多名业余无线电操作员生成了 5，200 多万个数据点，以观察日全食期间太阳光的突然消失如何影响他们的无线电信号和电离层（地球高层大气的电化区域）。

这张地图展示了 2024 年日全食期间月影穿过美国的路径。 图片来源：NASA/科学可视化工作室/Michala Garrison；NASA 戈达德太空飞行中心 Ernie Wright 的日食计算结果

全食路径内外的无线电通信在某些频率（1-7 MHz）上有所改善，这表明电离层的吸收有所减少。 而在更高的频率（10 MHz 及以上）上，通信状况则有所恶化。

使用另一种技术从电离层上反弹高频无线电波（3-30 MHz）的结果表明，在日食期间电离层的高度上升，之后又下降到正常高度。

宾夕法尼亚州斯克兰顿大学教授、HamSCI 项目负责人纳撒尼尔-弗里塞尔（Nathaniel Frissell）说："该项目将Ham无线电操作员带入了科学界。他们对自己手艺的奉献使这项研究成为可能。"

同样是研究大气层，"全国日食气球项目"（Nationalwide Eclipse Ballooning Project）组织了全美各地的学生团体，在 2024 年 4 月月球穿越美国时以及 2023 年 10 月日食期间，向月球阴影发射气球。 研究小组驾驶气象传感器和其他仪器，研究大气对寒冷黑影的反应。

这项由 800 多名学生进行的研究证实，日食会在地球大气层中产生被称为大气重力波的涟漪。 就像湖水受到扰动时会形成波浪一样，空气受到扰动时也会在大气中形成这种波浪。 该项目由位于波兹曼的蒙大拿州立大学的 Angela Des Jardins 领导，也证实了这些波在以前的日食中出现过。 科学家们认为，这些波的触发因素是地球大气层对流层顶的"打嗝"，类似于日落时观察到的大气效应。

团队科学专家、位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心大气科学家龚杰说："半数团队在项目开始前几乎没有热气球飞行经验。但他们的辛勤工作和研究对这一发现至关重要"。

编译自/ScitechDaily