日全蝕—地球上最大的天文觀測實驗
■日蝕是奇特的天文現象，尤其是地球上的日蝕，更是宇宙中的一場浪漫邂逅。本文簡述日蝕的原理、發生頻率、地球上日蝕的獨特性和今年8月在美國觀測日全蝕的過程。
撰文｜陳奕廷
●日蝕怎麼發生的？
影子可以分為「本影區」和「半影區」。在全影區中，所有的光線完完全全地被遮蔽，好像光源不存在一樣。而在半影區中，只有部分的光線被遮住，光源就像是缺了一角。如圖一所示，月球的本影和半影區中的A,B處分別會造成「日全蝕」和「日偏食」。同樣屬於半影區，但在本影區的正後方C的部分會看到「日環蝕」。這是因為月球距離太遠，看起來太小，不足以完全遮蔽太陽(如圖二照片)。
在此介紹一個冷知識，本影區的英文叫做「umbra」，在拉丁文中代表陰影的意思。而當人撐起雨傘時，就好像活在陰影底下，因此雨傘叫做「umbrella」。
●地球上的日全蝕很浪漫！
儘管太陽比月亮大四百倍，太陽的距離也大約是四百倍遠。這個美麗的巧合讓月亮和太陽在天空中看起來幾乎一模一樣大。當日全蝕發生時，太陽被月亮剛剛好地遮住。太陽的大氣層外圍中的帶電粒子發出的微弱光線，被稱為「日冕」。平時，日冕相對太陽顯得不起眼，根本看不到。只有在日全蝕的時候，月亮遮住太陽卻不遮住太陽大氣層，我們才能看到美麗的日冕。
●日全蝕多久發生一次？
每個月，月亮都跑到地球和太陽的中間一次，這代表每個月都有日蝕嗎？月亮軌道平面(白道面)和太陽軌道平面(黃道面)之間夾了大約5度角。儘管5度聽起來很小，但在地球和月亮這種距離之下，已經足以讓月亮的影子落在地球之外了(圖三2,4)！
大家都知道兩個不平行的平面會相交於一直線，每年就會有這麼兩次，地球、月亮、太陽依序坐落在這條直線上(圖三1,3)。也就是說，大約每半年會有一次日蝕現象發生在地球上的某個角落。但是由於軌道的偏差，大約有三分之一的日蝕屬於「日偏食」。另外，因為月亮軌道是橢圓形的，當他離地球較遠時，它的本影區離開地球表面。大約有三分之一是這種狀況，屬於「日環蝕」。只有剩下的三分之一是屬於最奇妙、最讓人讚嘆的「日全蝕」。所以平均來說，大約每一年半地球上會發生一次日全蝕。
●但我怎麼沒有每一年半看到一次日全蝕呢？
月亮在地球上的本影區非常小，大約只有1萬平方公里而已。只占地球表面積5億平方公里之中的0.002%。依照機率粗略概算，每個地方平均約7萬5千年才會發生一次日全蝕。所以如果不主動追求日蝕的話，大部分的人很有可能終其一生都看不到一次日全蝕。日全蝕每次發生大約持續1到3分鐘[1]，這種曇花一現的感覺和極稀有的特性，大概解釋了為什麼每次日全蝕發生都會造成轟動，吸引大量的人潮觀看。
●看日全蝕是什麼樣的感覺？
最近一次的日全蝕，發生在2017年8月21號。本影區大多在美國境內，每個本影區經過的城市都有百萬人湧入，這可以說是當時全球最大的天文觀測活動吧！筆者剛好在本影區附近[2]，所以當然是前往觀測囉！首先，在日全蝕發生前的大約一個小時會進入半影區，這時戴上專用的減光片可以看到太陽缺了一角，然後越缺越多。但其實在這一小時中太陽還是很亮，如果沒有人告訴你有日蝕，還真的不會發現有什麼異狀。
如果知道有日蝕，下列幾件事情可以在全蝕完全發生前，感受到日蝕的存在：第一，大約在全蝕前半個小時，會發現氣溫開始下降。本來是熱到會流汗的天氣，漸漸有了涼爽的溫度。第二，可以觀察樹葉的影子。在樹葉之間存在很多小縫，這些小縫就像是針孔一樣能用來對太陽成像。如圖四，這些光斑是太陽的影像，呈現半月形，這是日蝕的證據！第三，大約在全蝕的前五到十分鐘左右，會發現整個環境的光線都變得特別奇怪。天空沒有雲，但卻變暗了，就像是在歌劇院內有人慢慢把燈光調暗一樣。此外，影子邊界會變得特別清晰，這是因為太陽從一個圓盤，幾乎變成一個點光源了。
然後，就發生了。在減光片中看到太陽消失了，心裡還納悶道「這就是日全蝕？」。拿下減光片後[3]，眼前的景象讓人難以置信。就是像照片裡一樣：一顆黑色的太陽掛在空中。同時，天空變得幾乎跟夜晚一樣暗，氣溫遽降，冷風從四面八方吹來。換顧四周，依稀可以感覺到遠方本影區以外的地區還是有太陽的，所以整圈360度的地平線都像是日出日落一樣閃耀。日全蝕的景象非常奇異，除了人聲歡呼之外，還可以聽到動物害怕(或興奮)地對太陽大叫。
據說看了一次日全蝕的人，終身會繼續追求日蝕。甚至在英文中，還特別為了「熱愛日蝕的人」創造了一個單字：「umbraphile 」[4]。在2020年的六月，台灣將會發生日環蝕，現在就在你的月曆上記下它吧！
註：
[1] 這是以定點不動計算。如果搭著飛機跟著本影區移動，可以享受大約2個小時的日全蝕。
[2] 在美國的奧瑞岡州。雖然說是附近，但也開車開了約11小時。
[3] 當日全蝕發生的那幾分鐘，光線強度夠弱，可以用裸眼安全地觀看。
[4] 前面有提到umbra指的是影子，而-phile指的是熱愛。整個單字字面上就是「熱愛影子的人」。
