日食 :月球与太阳重合时的天文现象

更新时间:2023-02-02 15:34

日食(拼音:rì shí,英文:solar eclipse),又叫日蚀。是一种天文现象。当月球运动到太阳和地球中间,如果一者正好处在一条直线时月球就会挡住太阳射向地球的光,在月球背着太阳的方向会出现阴影,称作月影。在月影扫过地球上的区域看到的太阳被月球所遮挡,这种现象称作日食。

太阳是万物之源,古人认为发生日食是不吉祥的。与日食有关联的厄运的含义就包含在它的词源中。“eclipse”这个词来自于古希腊语,意为“废弃”“没落”和“黯淡”,古希腊人把日全食解释成是太阳抛弃了地球。在汉语中,日食名字由来,与古人对日食现象解释有关,认为发生日食时是太阳被某种动物吞掉。

日食是地球位于月影方向(日月延长线)上,当月球地球太阳位于(或基本位于)同一条直线上时才会发生日食。日食有三种类型:日全食、全环食和环食。

日食有很高的应用价值,可以使用古代日食等天文现象记录研究地球自转速度的变化,在历史考古方面,日食也有相当大的作用。现代对于日食的观测也是有非常重大的科学意义,如了解色球和日冕的精细结构和化学成分,探索日冤加热机制等未解之谜等。

日食对地球的生物、天气、短波通信等影响较大。研究发现,由于日食时月球遮住了太阳,使地球上的光线、温度、磁场引力场、微粒辐射等物理因素发生短暂的突变,会引起的心血管疾病患者症状加重;会影响利用电离层反射进行的短波通讯和通过电离层的测绘学、导航等。

定义

日食,又叫日蚀。是一种天文现象。在每个月中,当月亮运行到太阳和地球之间,也就是朔日的时候,这时如果太阳、月亮、地球这三个天体正好位于或接近于同一直线上,在太阳光的照射下,月亮背向太阳一面是黑暗的,月亮的影子就会伸展到地球表面,被月影扫过的地带和地区,便可以看到太阳圆面被月亮遮掩。太阳开始被黑影侵吞,缺口很快扩大,甚至整个日轮被吞掉,天空变暗,如同黑夜降临,然后又逐渐显露出来,这种天文现象称为日食。

发现与命名

发现

早期研究

在古人的眼睛里,太阳是不可侵犯的神灵。日食现象致使太阳突然被一个“魔影”所吞噬,明朗的天空刹那间变成漆黑一团,这个非常的事件在古时候自然会引起人们的极大恐惧。古人误以为日食预示着“凶兆”有的甚至认为这是魔鬼即将降临世间的信号。所以,当日食出现后,人们都要采取“救日”行动。比如击鼓呼号、朝天空射箭,以驱赶恶神其中美洲原住民向天空发射的是带火焰的箭,意图为点燃太阳。还有的地方用物或人进行祭祀,祷告上天赦罪。

在古代,中国和巴比伦等文明国家都有很多日食的记载及研究,逐渐了解到日食和月食的原因和发生规律,并且进行预报。在中国的古书中虽然有相关记录,但也不详细。早在三千多年前,中国古代在殷墟出土的甲骨文中就有五次日食记录。前735年,《诗经·小雅》的《十月》记载:“十月之交,朔月辛卯,日有食之。”《春秋》一书,就记载了自前720-前481年的37次日食。在古代,天文学家就知道日食有一定的出现规律,古代巴比伦人发现了日、月食发生的周期,称为沙罗周期(Saros,是重复的意思)。中国古代也提出过类似的日月食规律,如汉代的《太初历》记载的交食周期为135个朔望月(986.63天)。

在中国从汉朝开始,天象记录日趋详尽、精细。对日食的观测,不但有发生日期的记载,而且开始注意到了食分、方位、亏起方向及初亏和复圆时刻等。

快速发展

随着社会的进步,日食成为科学研究的对象。在17世纪和18世纪,日食观测还只局限于天体力学的范畴,也就是说利用日面和月面接触的时刻,来校正月球的星历表。到19世纪中叶,由于光学、光谱学和照相技术的应用,日食研究开始进入天体物理的领域,并取得了辉煌的成绩,例如在1868年8月18日的日全食观测中,法国天文学家让·桑拍摄了日饵的光谱,发现了一种新的元:氦。这个元素一直过了20多年之后,才由英国化学家拉姆寨在地球上找到。

科学史上有许多重大的天文学和物理学发现是利用日全食的机会做出的,而且只有通过这种机会才行。其中最著名的例子就是阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论。1915年,爱因斯坦发表了在当时极为难懂,也极为难以置信的广义相对论,该理论预言光线在巨大的引力场中会拐弯。人类能接触到的最强的引力场就是太阳,可是太阳本身发出很强的光远处的微弱星光在经过太阳附近时是不是拐弯了,根本看不出来。但如果发生日全食,挡住太阳光,就可以测量出来光线拐没拐弯、拐了多大的弯。机会在1919年出现了,日全食带是在遥远的南大西洋上。英国天文学家亚瑟·埃丁顿带着一支热情和好奇心极强的观测队出发了。他们观测的结果与爱因斯坦事先计算的结果十分吻合,相对论从此得到了世人的承认。

鼎盛时期

进入20世纪50年代以后,人类观测日食的内容不断扩充,手段也在不断改善,从地面观测发展到高空甚至地球大气外观测,并使用飞机、气球、火箭、人造卫星等手段。1973年6月30日,在非洲发生了一次日全食,当时法国天文学家乘坐“协和”式喷气飞机追赶月球影锥,竟然使得全食时间延长到74分钟,这在日食观测史上是一个空前的创举。1975年7月15日美国阿波罗飞船”和苏联联盟号飞船”宇宙飞船对接其后“阿波罗号”飞船模拟月球,挡住太阳的光芒,由“联盟号”上的宇航员进行“日全食”的观测。

命名

太阳是万物之源,发生日食时古人认为是不吉祥的征兆。与日食有关联的厄运的含义就包含在它的词源中。“eclipse”这个词来自于古希腊语,意为“废弃”“没落”和“黯淡”,古希腊人把日全食解释成是太阳抛弃了地球。在汉语中,日食名字由来,与古人对日食现象解释有关。在各种解释日食成因的神话中,最为常见的就是发生日食时是太阳被某种动物吞掉。印度人和土耳其人认为日全食期间有条蛇在吞噬太阳,古埃及的太阳教徒相信,存在着一只食日的蟒蛇。在中国,流传着天狗食日的传说,在日发生时,人们会敲锣打鼓,制造巨大的声响,来驱赶天狗。印度神话中,也有把日食现象归咎于一个叫做“罗喉”的恶神。古人对这类天体现象的命名即表明了他们的解释,“食”即表明了吞食,“以为日食的发生是太阳被某种神物吞食下去。”

性质与特征

性质

形成原因

从太阳和月亮的视直径上分析,从地球上看太阳和月球,它们的视直径差不多,都是32角分左右。由于地球绕日运行和月球绕地运行的轨道都是椭圆,因此三者之间相对距离会有些变化,导致太阳和月球的视直径也会发生相应变化。太阳视直径范围为31分28秒到33分32秒,月球视直径范围是29分56秒至33分28秒。因此可能出现月球视直径大于等于或小于太阳视直径的三种情况,分别发生日全食、全环食和环食三种情况。

同一次日食,在地球上不同区域,看到的日食种类也不相同。日食时实际月影只扫过地球表面局部地带叫日食带。地球上处在月球半影区的人只看到日偏食;处在月球本影区的人才可以看到日全食;若日食时仅伪本影(及半影)扫过地球,处于伪半影区的人可看到日环食

形成条件

时间条件

日食发生于朔,月食发生于望。在一个朔望月中,只有日月合朔时,地球才有可能位于月影方向上,从而发生日食;只有日月相望时,月球才有可能位于地球本影方向上从而发生月食。但并非所有的朔、望都有食的发生,因此发生日月食还需要下一个条件。

交点条件

如果月亮绕地球公转所在的平面(白道)与地球绕太阳公转所在的平面(黄道)是重合的,太阳、地球、月亮也一定在一条直线上,月亮把太阳光遮住,即发生日食。由于黄白交角的存在,黄道和白道并不重合而是有一个5°9"的夹角,日月相冲时,太阳地球和月球不一定在同一平面上,月球不一定能从地球的本影中通过。只有当日月同位于黄白交点或其附近时,这时的朔会出现日食,这时的望也才会发生月食。

时长

日全食的食甚时长由以下几项条件所决定(依重要性排列):

依据以上条件所推算出的最长日全食将发生在2186年7月16日,食甚时长为7分29秒,在圭亚那合作共和国北部可见。

发生过程

因为月球自西向东视运动比太阳快,日食总是先从太阳西边缘开始向东增大被食部分。由于月影在地球处自西向东扫过的速度(约1km/s)比地球表面自转速度(赤道上也不到0.5km/s)快,月影在地面上大致从西向东移动,因而地面日食带不同地点看到日食发生的时间就不同,西部比东部先见到日食。于月球影锥在地面的截面较小,全食带的宽度仅二三百千米,日全食持续的时间很短,最长为7分钟,而短的仅20秒。

日食过程全部结束日食程度也以食分表示,定义为食甚时日轮被遮部分与太阳直径之比。日全食的食分略大于1,而日偏食的食分小于1。

特征

日全食景象

日全食的景观非常壮观。从初亏起,日轮逐渐变为弯月状,天色变暗,仿佛夜晚来临,飞鸟归巢。从食既始,黑暗突然降临,月球遮住的日轮周围显现出淡红色光圈一这是太阳大气色球层,常有几处火舌状的日耳,再仔细看,日轮外呈现银灰色的光辉-这是太阳的外层大气一-日冕。临近生光,日轮边缘突然显现像珠宝般耀眼的“贝利(因他最先描述)珠”,这是明亮的日轮光辉从月轮边缘的山口穿出的缘故,令人惊呼。很多人远道奔赴日全食地方,以目睹罕见的日全食景观为快。

日全食时刻,大白天突然变为“黑夜”,会出现几个很奇怪的景象。

1.钻石环和贝利珠,在全食即将开始或结束时,太阳圆面与月球圆面内切时的瞬间,会出现一个或一串发光的亮点,像珍珠,这是由于月球表面有高低不平的山峰,阳光从缺口中透出而形成。

2.色球和日珥的展现,在全食开始前和结束后的2~3秒期间在两圆相切处的外侧,可以看到很窄的粉红色月牙闪光,这就是来自色球的辐射,其中还可能有跳动着的火柱般的日珥。有些日全食,月亮的影子仅比光球稍许大一些,在食甚时刻,在“黑太阳”的周围,镶着一个红色光环形状的色球层。

3.银白色日冕的出现,在全食的几分钟内,日冕出场像一顶滑雪帽把太阳包裹起来。每次日食的日冕形态和尺度都不相同。太阳活动极小年时的日冕很小,而太阳活动极大年的日冕可以延展到好几个太阳半径。

4.白天观测星星。

5.动物的反应,日全食发生时鸟类最为“胆小”,反应比较明显。曾看见日全食时海鸥群起归巢的壮观场面。

日环食景象

日环食发生时,月球只遮住了太阳的大部分中心部位,露出一圈环状的太阳边缘,好似一枚亮闪闪的“金指环”。

发生规律

日食是因地球和月球相对于太阳的会合运动而发生的交食现象。地球和月球的运动都是有规律可循的,因而日食的发生时间和情况是可以推算和预报的。推算日食是很复杂的,这里仅简介一些结果。对全地球而言,一年内最多发生7次交食,最少发生两次日食。例如,1935年发生5次日食,1919年和1982年都发生4次日食,1980年只发生2次日食。发生7次交食的年份很少,一般是一年发生日食2次。由于日食带范围不大,仅在月影扫过地球的局部地区可看到日食。就久居某一地方的人而言,甚至一生中看不到日全食。

分类

人类从长期的观测研究中,把日食的现象归纳为三种类型,日全食、日环食和日偏食。从月球遮挡太阳阳光角度分析,月球在绕地球运行过程中遮挡太阳,在地球上造成的阴影,有三种情况,即本影、半影和伪本影。到底发生哪种日食,与地球所处的相对位置或运行轨道有关。

1.日全食,当本影能够到达地球表面上部分区域,整个太阳圆面被月球遮住。

2.日偏食,如果仅是半影到达地面,日偏食时仅部分太阳圆面被月球遮住。

3.日环食,只有伪本影能够到达地面的某个区域,日环食时仅太阳圆面中间被月球遮住,而外缘仍显露。

观测与探测

业余观测

必须使用减光装置。因为太阳太明亮了,所以无论是目视观测,还是用仪器设备观测,为了保护眼睛和设备,都需要有减光装置。只有在全食的短暂时向里,不需要减光装置。

日全食是观察研究太阳外层大气的大好时机,全食时,可以看到太阳外围薄薄一层玫现色的色球、皎洁悦目的淡蓝色的目冕。以及色球上喷发出的日耳。

目视观测

在观察日食时必须注意,不能用眼睛直接对,阳光太强,必须通过某种减光装置将太阳光大大减弱后再进行观测。

专门的天文器材商店会出售一种太阳滤光眼镜,用它就可以将太阳的强光绝大部分过滤掉,这时就能看到太阳圆圆的轮廓,以及被月亮遮挡的缺口。可以找一些替代品,比如3.5英寸软盘的盘芯就是减光效果很好的塑料片,多找几片叠在一起就能达到专用太阳滤光片的效果。另外电焊工人戴的护目头盔,那上面玻璃的减光效果也非常好。普通玻璃用烟熏到足够黑,也能用来观测太阳。

水里可以看到太阳的倒影,往水里倒入一些黑墨汁,待其扩散均匀,水中太阳的亮度就会大大降低,黑色能有效吸收掉大量的太阳光,再反射到眼中的阳光就非常弱。也可以用来观测日食。

日全食阶段的观测办法

以上观测方法,适用非全食阶段。到了日全食的时,由于日面被月亮完全挡住,日轮边缘的色球层和日冕层的光线相对于光球层来说要暗得多,此时观测就不需要用滤光装置,不管是裸眼直接观测还是通过望远镜目视观测,都可以把滤光片摘掉。全食阶段最好不用望远镜而用裸眼直接观测,这样才能最大限度欣赏日全食时的景象。

相机照相观测法

日食照相和摄像的基本方法,只需要把普通天文摄影和摄像的基本方法,和前文所述的目视观测太阳的基本方法结合起来就可以。天文摄影最简单的方法是用相机直接拍摄,对于太阳而言,许多照相机的长焦端都足可以拍到较大的像了,在非全食阶段,只需要将滤光片罩在相机镜头前就可以拍摄。如果用墨水盆法或者望远镜投影法观测日食,直接把看到的拍下来即可。至于全食阶段,直接用相机对着太阳拍就行了。用相机直接拍摄还可以实现许多创意摄影。最经典的是拍摄日全食的糖葫芦串像。

摄像观测法

和照相机类似,直接用摄像机加滤光片拍摄日食过程就是非常好的观测手段。一般而言,摄像机的长焦端比普通相机的长焦端还要长,因此能拍摄到更大的太阳像,足以满足一般观测需要。只需要在镜头前罩上滤光片,找到太阳,将光学变集的倍数放到最大,然后开始拍摄,摄像机一般都能比较正确地自动对焦和设置曝光参数。实在不行,就改为手动变速器(如果有的话)来手动设置曝光参数,并手动对焦到无穷远。

科学观测

在过去,观测日食常用光学的方法,就是用望远来摄影,用分光仪来拍摄光,用光电光度仪器测量等等。观测月全食时,必须注意地影和月面相接触的四个点的时刻。四个接触点(切点)的时刻要力求下(通常应用时仪记录),以供研究之用。天文学家会在在日食的短暂时间里,使用各种各样的天文望远镜和射电望远镜观测日食,对它进行拍照和记录,分析它的光谱和射电强度变化曲线。

望远镜目视观测

用天文望远镜进行目视观测,有两种办法。一种和上面的直接目视观测类似,在望远镜前端加上专用的太阳滤光膜,将绝大部分的阳光滤掉后,就能在天文望远镜目镜上用肉眼直接观测放大许多倍之后的日食。二是投影法进行观测,如果实在没有滤光片,可以使用投影法进行观测,首先,将望远镜大概对准太阳方向,然后将一只手掌摊开放在目镜后面,离开目镜一个较短的距离,然后慢慢凭感觉寻找太阳的位置,找到太阳时,太阳的强光会通过目镜在你摊开的手掌上形成一个亮斑。这时锁定望远镜,调整望远镜的焦距,会发现在某个位置上手上的亮斑会变得非常清晰,这就是太阳的像,可以把手拿开在那里放上一张白纸,开始观测日食。

望远镜拍摄观测法

通过望远镜进行天文摄影的基本方法有两种,直接焦点法(简称直焦法)和放大摄影法(简称放大法)。由于太阳很亮,此感光度一般设置到最低就可以,快门速度则可以通过实拍一回放找出最合适的数值。如果有条件,最好使用快门线或者通控器进行拍摄,因为手按快门可能会引起震动造成画面模糊。

科学探测

在2017年8月21日,美国西海岸俄勒冈州先迎来日全食,美国东部时间13时16分(北京时间22日1时16分),太阳被月亮完全“吞没”,持续约两分钟,天空明显变暗。在接下来的约90分钟里,日全食依次掠过爱达荷等十多个州,最终在东海岸的南卡罗来纳州离开美国大陆。从地图看,一条约110公里宽的日全食带把美国大陆斜分为两半。美国航空航天局这次共资助了11个项目,借机研究太阳及其对地球上层大气的影响。其中一个项目是,两架WB-57F高空观测飞机从休斯敦起飞,飞到约15千米的高空,以每秒30次的速度拍照。美国航天局说,乘飞机高空观测日全食时间更长,且大气干扰少,成像质量高,有望拍到迄今最清晰的日冕图片。这两架飞机还要趁着日食天色较暗期间以红外波段观测水星,首次尝试对水星表面各处温度变化进行成像。美国航天局还发起了日食气球项目。包括高中生和大学生在内的55个团队沿着日食带在全美50个地点放飞高空气球,气球飞到约30千米的高空,拍摄日食图像与视频,并传回地面供在线实时观看。

重大事件

1.研究日食对中国大气边界层热力状态的影响

地球的能量主要来源于太阳,太阳的辐射变化对地球大气边界层有着潜在的影响。日食过程中太阳被遮挡,减少了到达地球的热辐射能量,大气热力状态被改变,为研究大气层热力状态的变化提供了一个好的机会。

2020年6月21日,在中国境内出现了一次日环食,除日环食带以外中国其他地区都可见到日偏食。为了研究日食对边界层大气热力状态的影响,分析了西安市遵义市南宁市和宜宾4个不同地区的微波辐射计实时连续观测的大气温湿度廓线数据,研究日食期间不同日面遮挡程度对不同边界层高度上大气热力状态的变化及其受天气条件的影响。

研究结果表明,日食期间,由于太阳被月球遮挡,到达地面的太阳辐射减少,边界层大气温湿度发生了明显的变化响应;太阳被月球遮挡的越多,边界层温湿度变化更加明显。温度随太阳被遮挡面积变大而减小,湿度表现出相反的现象,水汽密度在日食的整个过程中受到日食的影响较弱;日食过程中,边界层温湿度变化相比于日食发生要滞后约15-20分钟左右;日食期间地面温湿度的变化还受到云层的影响,云对太阳辐射的衰减也是一个重要影响。

2.检验了广义相对论所提出的引力透镜效应

广义相对论该理论提出引力能弯曲光线,观察时即表现为某天体附近的星星视位置发生变化。而一般的天体造成的弯曲太小,地球上难以观察到,只有太阳的引力能引起足够大的弯曲。而平时太阳的强光将其附近的星光完全湮没,因此日全食成了观察这一效应的最佳机会。

1919年5月29日日食是一次日全食,此次日全食发生时,太阳周围恰巧是明亮的毕宿星团,亮星是数年内最多的,观测条件较好,全食那一刻的黑色太阳会恰好位于毕星团的中心。

亚瑟·埃丁顿在非洲海岸线上的几内亚湾普林西比岛,发生日食时两支观测队分别拍摄了太阳附近的星光照片,发现星光受太阳引力发生弯曲,证实了广义相对论所提出的引力透镜效应。这次观测的结果是,“在太阳附近确实发生了光线的偏折,偏折大小正是阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论所需要的大小。”

学术研究

假设与猜想

1.通过观察日全食,可以研究太阳光球的“临边昏暗”规律。理论和实践均证明,一个从里向外温度逐渐降低的高温气体球,必定出现“临边昏暗”现象。也就是说,它的视圆面中心最亮,越向边缘就越暗。太阳的临边昏暗现象早就被发现了,日轮中心最明亮,越是临近边缘就越昏暗掌握了临边昏暗规律,就能反过来推算太阳光球内的物理状况(温度、压力、电子密度等)。日全食时,月亮把太阳从中心到边缘的各个部分依次挡去,就为研究临边昏暗现象提供了方便。日环食虽不及日全食,但也还是研究临边昏暗的有利条件。

2.研究“引力会使光线偏折”。爱因斯坦在20世纪初根据他提出的广义相对论《关于引力问题的一种物理理论),预告由于太阳引力的作用,星光从太阳旁边经过时,就会发生偏折,偏折的方向是向太阳靠拢,星光方向改变的大小是1角秒。平时由于阳光灿烂,看不到太阳近旁的星,所以无法测量星光究竟是不是偏折了。日全食时,天空昏暗和太阳方向靠得很近的那些星星显现出来,就有可能测量了。进入20世纪以来,曾经利用许多次日全食进行了测量。由于这种测量困难很大,极难测准,所以各次测量的结果往往不太一样,有时甚至差得很多。但是,基本上都肯定了星光经过太阳近旁时,确实会朝着太阳偏折,而且偏折的数值比原来测定的还要大(约为2角秒多些)。这个问题很复杂,还有待于今后做更多的研究。

交叉学科研究

日食对生物影响

1987年9月23日,中国发生过一次罕见的日环食天文现象,据当时记者在现场观察到,当日食来临时,天空随之转暗,仿佛黄昏来临,10分钟内气温迅速下降8C,天空中的鸟儿急速地飞人林中的草丛,地面上的公鸡啼鸣,母鸡领着鸡雏迅速归窝,蚊子也顿时活跃起来。据世界外研究者观察发现,在日全食时,蚂蚊会静止不动;蜜蜂属在日食前半小时就开始返蜂房,不再外出,直到日食过后1小时才大量飞出,大头金蝇在日食环境中可发生形态变形;白天活动的鸟纲,日食时活动减少,而夜间活动的鸟类却开始活跃;信鸽在日食时会失去定向能力。

自然环境的变化,必然会对人体产生相应的影响。日食环境对人体的影响与日食食分大小有关,日全食时影响最大。1980年2月16日,日全食,上海市中医学院科研小组的同志前往全食地昆明市,和当地医务人员一起,对55例心血管疾病患者进行了综合检查,结果表明70%以上的病人原有的主要症状加重,直到日食后两三天,病人的血压、脉搏、交感神经应激性才逐渐恢复到日食前的水平。这种影响主要是由于日食时月球遮住了太阳,使地球上的光线、温度、磁场引力场、微粒辐射等物理因素发生短暂的突变所引起的。

日食对短波通讯及导航影响

日食,尤其是日全食会影响短波通讯。由于太阳辐射,使得地球上空100千米到数千千米的大气层中产生了带电粒子,这些包含了带电粒子的地球大气层被称为电离层。电离层是由于太阳辐射电离了大气的中性粒子,使得高层大气中出现了大量的自由电子和离子。一次日全食过程,由于太阳辐射的突然消失,高层大气中电子和离子突然失去了源头,电离层不同高度的电子和离子就会出现不同程度的减小。在低电离层高度上,由于太阳辐射是电离层电子的最主要来源,日食期间太阳辐射的减小,会造成低电离层电子浓度的快速减小,其响应时间和日食时间对应较好;在稍高的电离层高度上,产生电子的来源主要是电离层中本身的输运和扩散等过程,日食的效果不如低电离层明显且响应时间滞后日食时间。

由于调频(FM)广播电台、手机、对讲机、无线上网等都使用超短波,因此日全食对这些广播通信业务不会产生影响。但对于利用电离层反射进行的短波通讯和通过电离层的测绘学、导航等用户来说,需要关注日食期间电离层变化导致的影响。专家们建议在日食发生前1小时至日食后3小时内,航空、航天、测绘、勘探等部门避免进行高精度作业,日食带所覆盖的城市注意调整其短波通讯频率,避免进行野外探险或考察活动。

日食对天气的影响

日食对人们生活的影响是多方面的,其中大家能够明显感受到的,除了短波通讯受到影响以外,最明显的就是它对天气的影响。日食发生时,地面天气在相应发生着异常甚至剧烈的变化。日食气象变化也最显著,具体表现为以下几点特征,日食发生的时候,气温会逆降急剧;地面温度的变化比气温更大;日食温度变化入地深度达到10厘米或更深;空气相对湿度明显逆升;日食使中午变成黄昏月夜。

日食与考古

古代对日食的记载对历史学家来说有重要的意义,因为通过日食的发生日期,可以准确地确定历史事件的发生年日。例如,亚述人所记载发生于公元前763年6月15日的一场日食,对古代近东历史的准确定年起到了重要作用。在夏商周断代工程中,通过日食记录“天再旦”确定了姬囏元年为公元前899年;根据“岁鼎克昏”确定武王克商年为公元前1046年;通过5次月食确定了商王武丁在位年代为公元前1250-前1192年。这些研究成果有力地支撑了工程,将中国的历史纪年向前推进800余年。

应用与价值

应用

古代日食记录最突出的应用是研究地球自转速度的变化。研究表明,地球自转一周的时间比4000年前长了0.07秒,这是由于日月潮汐产生的摩擦力等造成的。

日食记录在历史考古方面也有相当大的作用。在中国历史中,西周共和元年(前841年)以前的历史纪年是不可靠的。为了确定这之前的年代,除了通过考古学的证据之外,最有效的办法是对古籍中记载的可靠天文现象进行推算,找出具体的年份、年号、帝王即位顺序与在位时间,推算出确切的年代。

价值

对于日食的观测也是有非常重大的科学意义的,尤其是对日全食的观测。

1.日全食时,平时难得一见的太阳色球层和日冕层直接展现出来,给天文学家提供了很好的研究机会。通过对它们的研究可以获得许多有关太阳的资料,了解太阳大气的组成、温度、结构以及太阳的活动等情况。在1605年,约翰尼斯·开普勒就发现日全食时在太阳周围会出现淡淡的光芒。后来光谱观测技术的兴起,通过某种方法拍摄天体的光谱,再分析光谱中的谱线,可以知道光源的化学组成。通过多次日食的观测,终于证明日冕是太阳大气的真实组成部分。当时人们还发现日冕光谱中有许多无法证认的谱线,一开始以为是一种地球上没有的新元素并将其命名为“氦”,后来发现原来那只不过是已知元素的原子在高温稀薄的特殊状态下发出的谱线。

2.日食可以为研究太阳和地球的关系提供良好的机会。太阳和地球有着极为密切的关系。当太阳上产生强烈的活动时,它所发出的远紫外线、X射线、微粒辐射等都会增强,能使地球的磁场电离层发生扰动,并产生一系列的地球物理效应,如磁暴、极光扰动、短波通讯中断等。

3.在日全食时,由于月亮逐渐迹掩日面上的各种辐射源,从而引起各种地球物理现象发生变化,因此在日全食时进行各种有关的地球物理效应的观测和研究具有一定的实际意义,并且已成为日全食观察研究中的重要内容之一。

4.观测和研究日全食,还有助于研究有关天文、物理方面的许多课题利用日全食的机会,可以寻找近日星和水星轨道以内的行星,可以测定星光从太阳附近通过时的弯曲,从而检验广义相对论,研究引力的性质;可以研究黄道附近的行星际尘埃的性质;可以研究地球大气的光学、结构、化学性质;可以研究生物钟对生物的影响等。

相关文化

在古人的眼中,日食是非常重要的天象。特别是日全食,是一种天象奇景,罕见而且壮观。古代非专业的文人诗人如果不是偶尔撞上了日全食,诗人们的想象力再丰富也很难描绘那一奇景,所以古代传下来的描写日全食的诗歌基本都是实录,数量很少,弥足珍贵。

“谁撤天门虎豹扃?群妖食日上青冥。一眉不及黄昏月,万目惊看白昼星。”这是南宋诗人艾性夫作的《日食》,民间称日食为“天狗吃月亮”,诗人借用了这种说法,但又不受此局限。再看明代王族朱权的《日蚀》,与上首诗有异曲同工之妙:“光浴咸池正皎然,忽如投暮落虞渊。青天俄有星千点,白昼争看月一弦。”

《全宋诗》中,收有南宋后期3首描写日食的五言古诗,它们分别是3位诗人所作,记录了4次不同的日食,这4次日食集中在60多年内。

古人对太阳抱有一种崇拜和敬畏心理。因而太阳被“食”就令古人惊恐万分,这在中西各民族的历史上都没有例外。在中国古代,一旦发生了日食,民间都会有自发的“驱赶天狗”行动。朝廷对日食更为重视,每当日食发生这天,皇帝要素服,避正殿,率领百官,在大殿前或祭台上举行救护仪式。

日食一出现,老百姓也“很是悲哀”,古诗很典型地代表了古人对日食的态度。《诗经》中的《小雅·十月之交》就专门写到了日食:

十月之交,朔日辛卯。日有食之,亦孔之丑。彼月而微,此日而微,今此下民,亦孔之哀。

诗中“孔”是“很”的意思,“亦孔之丑”即“很是丑恶”。

艾性夫的《日食》后面有四句:绝响无人槌败鼓,洗光何地激沧溟。仰天凝注需阳复,寂历西风老泪零。写的是救护仪式结束,诗人盼望天地秩序恢复正常的心情。

大众话题

与日食相关话题

1.骚乱与日食

据史料记载,公元前763年,在太阳被月球完全遮住的5分钟时间内,伊拉克的阿舒尔市发生了叛乱。这个记载表明古代人们在思想上把两者联系在一起了。

2.中国的日食

公元前1302年中国发生了一次持续了6分25秒的日全食。当时太阳是皇帝的象征,日食被视为对皇帝的警告。所以日食之后,皇帝不仅要吃素食,而且还要举行仪式来“营救”太阳。

3.乌加里特的日食

公元前1375年5月3日在叙利亚乌加里特出现日食,这是人类最早记载的日食之一。当时天空变暗了2分7秒,历史学家将这次日全食称为太阳”蒙差”。

4.穆罕默德诞生的日食

伊斯兰教圣经》叙述了在稳罕默德出生之前发生了日食,天文学家认为这是指公元569年持续3分17秒的日全食。在穆罕默德的儿子易卜拉欣死后太阳也消失了1分40秒。但是穆罕默德和穆斯林人并不认为日食与人的死亡或出生有关。

5.阿尔伯特·爱因斯坦与日全食

在1919年的日食中太阳消失了6分51秒,科学家测量了恒星经过太阳附近时光线的弯曲程度,证实了爱因斯坦的广艾相对论,爱因斯坦的理论将引力描述为时空的扭曲。

与日食相关故事

1.泰勒斯巧用天文现象化解战争

日食还会对战争的胜负起到决定性的作用。在历史上,日食决定战争胜负或阻止战争的事例不止一次发生过。公元前6世纪,在爱琴海东岸,即安纳托利亚高原上,居住着米迪斯和吕底亚两大部落。两部落本的战争进行了5年,战争拖得愈久,双方积怨愈深,老百姓遭受的苦难也愈重。古希腊天文学家泰勒斯痛恨这场无谓的战争,利用一次日全食来消了除战祸。他预先推算出公元前585年5月28日,当地将发生日全食。于是他公开宣布:“上天对这场战争十分厌恶,将吞食太阳向大家示警。如若双方再不肯休战,到时将大难临头。”5月28日,正当交战双方打得难分难解的时候,忽然间日全食发生。双方的僧侣经过一番商讨以后,都相信泰勒斯事前警告的话,是上天不满他们的战争而发出的警告,于是双方一致同意握手言和。

2.中康怒斩天文官

在中国历史上,同样的日食曾对两个天文官产生了不同的影响。一个天文官被处死了,另一个却流芳千古,受到世人的敬仰。

夏朝仲康时代,一天中午时分,人们突然发现,原本高悬在天射的太阳光线在一点点减弱。人们大喊起来:“天狗吃太阳了。”面对突如其来的“凶险”天象,百姓们个个惊恐万状,急忙聚集起来敲盆打锣一一按过去的经验,这样就可以把“天狗”吓走。

那时,朝廷已经形成一套“救日”仪式,在“救日”仪式上,唯独不见天文官羲和,原来他前夜喝醉了酒。仲康大怒,斩杀了羲和。

3.李淳风与《麟德历》

唐朝初年,国家行用《戊寅元历》,25岁的李淳风对这部历法做了仔细研究,发现它存在缺陷,于是上书朝廷,指出《戊寅元历》的多处失误提出修改方案。李世民很开明,采纳了他的建议,并选派他入太史局任职。麟德二年《公元665年),李淳风按自已的历法计算某月初一将出现日食,而按照旧历书,这天是没有日食的。他把自己算出的日食发生、结束的精确时刻上报到朝廷。结果在预测时间内真发生了日食,朝廷决定改用李淳风的历法,并将其命名为《麟德历》。

相关事件

2024年3月29日,据山东广播电视台闪电直播间报道:北美研究人员警告称日食前后或导致更多致命车祸。日全食当天及前一天和后一天,每小时致命车祸的数量平均增加了31%。研究人员表示,致命车祸增加的原因主要是能看到日全食的地方相对有限,众多天文爱好者赶往观测地点时,往往会导致路上交通流量增加,而且很多人不熟悉路况,并存在驾驶分心等危险行为。

2024年全球唯一一次日全食于北京时间4月9日凌晨上演,全食带扫过北美洲墨西哥美国加拿大的众多城市都能看到这次日全食,发生时间为当地时间4月8日中午到下午,观赏性比较强。

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