日全食中的物理知识

戴建新

日食虽然每年都有发生，但是日全食并不多见，平均每三年见到两次，又由于只有在两三百千米宽、几千千米长的全食带里才能看到，因此，就某个地方而言，平均大约300年才能看到一次。

1日全食的原理

光源发出的光，照到不透明的物体上，在物体后面形成一个光线照不到的黑暗区域，这就是物体的影。

从点光源在物体后方产生的影可以看出，影的范围是由光的直线传播确定的，即由光源发出的并与物体表面相切的光线围成的范围(见图1)。因此，影的形状与物体的轮廓的形状相似。观察者如果位于阴影区，就完全看不到光源。

日全食的发生和月亮息息相关，因此要研究日全食，首先必须从月亮着手，我们知道月球背着太阳的一面拖着一条长长的影子，称为月影。太阳光源的发光面比较大，它的每个发光点都在月亮后方形成影区。月影有本影、伪本影(本影的延长部分)和半影三种。本影和伪本影都呈锥状。不同种类的月影扫过地球的表面，便产生不同种类的日食(见图2)。地球上处于月球本影区的观察者，由于月球的遮挡，完全看不到太阳光线，即看到日全食。处于月球半影区的观察者，由于月球的遮挡，只能看到太阳的一部分发出的光线，即看到日偏食。处于月球伪本影区的观察者，由于月球的遮挡，只能看到太阳边缘发出的环型光线，即看到日环食。

我们知道，月球不断地绕地球运动，周期为一恒星月，其轨道无限扩大到天球上，就是月球周天运行的轨迹，称为白道。地球又带着月球不停地绕太阳运动，周期为一恒星年。地球公转的轨道无限扩大到天球上，就是地球周天运动的轨迹，称为黄道。太阳、月球在天球上的运动方向相同，均为逆时针自西向东。由于月球自身不发光不透明，但却会遮蔽日光，在太阳的照射下，月球在其背日一侧形成一条长长的圆锥形月影。在月球绕转地球的过程中，月球是拖着自己的影子在空间绕转地球的，当其运行到太阳和地球之间，即日月台朔之时(即农历初一)，日、地、月三者恰好处在或接近在一条直线上，月球影锥就会扫到地球，处在月球影锥内的地球观测者，将观察到太阳较暗黑的月轮部分或全部地遮掩，这就是日食现象及其原理。

2日全食与电磁学

日全食时，太阳光辐射太阳风(带电粒子流)突然被月亮遮挡，从而也是研究太阳对地球电离层、地磁场、低空大气。以及各种其它地球环境产生影响的好时机。

日全食发生时。距离地球表面60Km至400Km的大气电离层将出现变化。由于太阳紫外线减少。电离层释放的正负离子和自由电子的密度也将发生变化，这将给利用电磁波的短波通信、全球定位系统等带来影响。众所周知，无线电广播和通讯依赖于地球高层电离层对无线电波的反射，而电离层的存在则是由于太阳紫外线和X射线对地球大气层的电离作用，形成了D、E、F₁和F₂等几个不同高度的电离。观测已经证实，太阳光被月球遮挡时，日全食地区上空的电离层状态有明显变化。这种变化和影响随地理纬度、季节和日全食时的太阳高度而不同。

从日食开始到食甚，中高层大气密度下降，电离层电子浓度将逐渐下降，造成短波通讯的临界频率下降，大部分短波频道的广播信号在食甚前后消失，在日食结束后，少量的短波频段会因为日全食的后续效应发生二次中断。此外，经过日食带电离层的电波路径被显著改变，对GPS单频接收系统的导航定位精度产生明显影响，此影响在食甚过后十几分钟后达到最大，然后逐渐减小，直至消失。受全食影响区域的电离层天气从受影响到完全恢复需要3～4h。没有出现日全食的地方，电离层不会出现很大的变化。另外。日全食只是光源被遮挡，而太阳辐射并没有出现变化，不会对地面的电磁波构成影响，因此手机通信一般不受影响。

实际观测同样表明，日全食期间地球磁场也有明显变化。这是由于在地磁场中除了地球本身的磁场外，还有太阳风的带电粒子在地磁场中运动形成的感应磁场。当月亮遮挡太阳风时，感应场必定变化，从而使观测到的磁场发生变化，与地磁场有关的地电也会有相应的变化。通过观测研究。可以获得地磁场结构以及太阳风与地磁场相互作用的知识。

3日全食与热学

日全食发生时我们平时看到的光芒四射的太阳已被月亮完全遮住，只能看到一个黑色圆面。但正是因为如此，我们看到了平时见不到的景象：伸展到几个太阳半径之远的日冕。由于它亮度只有日面亮度的百万分之几。所以，除非把太阳本体全部挡住，否则是看不见的。这也就是为什么日全食观测对科学家如此重要：它提供了一个难得的观测日冕的机会。

根据宇宙大爆炸理论，恒星有向其引力中心坍缩的趋势。恒星坍缩的结果，是使热核反应在恒星内部点燃。从而形成从内到外温度递减的恒星结构。这种恒星结构理论预言了太阳的温度从内部的上千万度降到表面的几千度。即太阳发光的源泉是内部的热核反应。这一理论相当成功，理论预言的表面温度与恒星表面光谱测量的结果符合得很好。但奇怪的是，光谱观测发现，到了表面光球层以外的日冕层。太阳大气的温度又突然增高到了上百万度。这与人们的常识似乎背道而驰。常识告诉我们：离热源越近，温度越高。而此处正好相反：到了日冕层，离热源(太阳核心)已经越来越远，温度反而升高了。这一奇怪的现象长期没有得到合理和公认的解释。因而被称为“日冕加热问题”。这一问题已经困扰天文学家很多年了。

4日全食与广义相对论

在广义相对论建立之初，爱因斯坦提出了三项实验验证：一是水星近日点的进动，二是光线在引力场中的弯曲，三是光谱线的引力红移。其中只有水星近日点的进动是已经确认的事实，其余两项只是后来才陆续得到证实。上世纪60年代以后，又有人提出雷达回波延迟、引力波等方案。

光线在引力场中的弯曲说的是：在没有引力存在的空间。光线沿直线前进。在引力作用下，光不再沿直线传播。例如，星光经太阳附近时，光线将向太阳一侧发生偏折(见图3)。

这一现象最早是爱因斯坦在1911年《引力对光传播的影响》一文中讨论的。他提出，光线经过太阳附近时由于太阳引力的作用会发生弯曲，他推算出偏角为0.83"，并指出这一现象可以在日全食时进行观测。

1914年，德国天文学家弗劳德(E.F.Freundlich)领队去克里木岛准备对当年8月的日全食进行观测，但由于第一次世界大战爆发，观测未能进行。幸亏如此。因为爱因斯坦当时只考虑到等价原理，计算结果小了一半。1916年，爱因斯坦根据完整的广义相对论对光线在引力场中的弯曲重新作了计算。他不仅考虑到太阳引力的作用，还考虑到太阳质量导致空间的几何形变。给出了光线的偏角计算公式为：a=1"，75R₀／r，其中R₀为太阳半径，r为光线到太阳中心的距离。

1919年日全食期间，英国皇家学会和英国皇家天文学会派出了由爱丁顿(A.S.FEddington)等人率领的两支观测，队分赴西非几内亚湾的普林西比和巴西的索布腊儿尔两地观测。经过比较，两地的观测结果分别为1"，61±0"，30和1"，98±0"，12。把当时测到的偏角数据跟爱因斯坦的理论预期比较，发现在实验误差范围内与理论预期值取得了很好的一致，从而确认广义相对论的结论是正确的。这是广义相对论创立以来最早得到科学界认同的最重大的成果。到目前为止科学家对400多颗恒星作了测量，射电天文学的发展使人类不用等日全食发生也能在地球上进行精度很高的观测，且与理论值符合。