日全蝕—地球上最大的天文觀測實驗

日全蝕。圖中看到的光暈是日冕。在日冕和黑色圓形的邊界上有一些紅色的光斑(三點鐘方向),它來自太陽的大氣層中的色溫層。(同行友人Po-Nan Li 攝)

■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」。

圖一、影子分為本影和半影。位於月亮本影區的人,可以看到日全蝕;半影區可以看到日環蝕或日偏食。
圖二、(左)2014年10月23日的日偏食及(右)2012年5月20日的日環食。(來源:維基百科)。

●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)!

圖三、地球和月球公轉軌道的示意圖。黃道面和白道面夾了大約5度角。每年大約有兩次機會太陽、月亮和地球三者依序連成一直線。

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。

圖四、太陽的針孔成像影像。葉子中的縫隙就像是針孔相機一樣,把太陽的影像投射在地面上。平常這些影像是圓形的,日蝕發生的時候,這些影像變成彎月形。

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!

圖五、鑽戒效應。日全蝕結束的那一瞬間,由於月亮的表面不是平整的,某些地形陽光比較容易通過,所以會率先閃耀光芒。這個景象就像是鑽石戒指一樣,所以被稱為「鑽戒效應(Diamond ring effect )」。(同行友人Po-Nan Li 攝)

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」。

 

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