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【博科園-科學科普】2012年夏威夷大學(University of Hawaii)的天文學家、教授哈巴巴爾(Habbal)前往澳大利亞北部觀看日全食，當時月球完全覆蓋了太陽的表面。在這段短暫的時間里，當太陽盤完全消失在它的月球伴星之后，地球的一部分被陰影籠罩，在太陽通?？床灰姷拇髿鈱又?，熾熱的氣體噴射到空中觀察者那里，它被認為是肉眼可見的最驚人的自然現(xiàn)象之一。

圖片：日食

但在2012年，哈布巴爾對美麗景色被云層遮住了，同樣的事情發(fā)生在2013年，當時她前往肯尼亞，希望目睹另一次日全食。Habbal在2015年從斯瓦爾巴(北極圈以北的挪威群島)看到了日食的清晰景象，但她的觀點在2016年的印尼日食中再次被遮蔽。

Shadia Habbal調(diào)整設(shè)備，用來觀察日全食時太陽的大氣層。圖片：Shadia Habbal

當天氣破壞了他們的一天的準備，但是當哈比巴爾錯過了日全食時，她失去的不僅僅是一次偉大的經(jīng)歷。作為一名在夏威夷大學的天文學家，她研究太陽風即一股從太陽表面流出的粒子流，這是一種持續(xù)的和風，并通過猛烈的噴發(fā)將物質(zhì)噴射到太空中。Habbal說在日全食時，科學家最清楚地看到了太陽的低層大氣——日冕，太陽風從太陽表面形成。

在日全食時，你可以從太陽表面開始觀察到太陽半徑的幾倍。日全食是直接研究太陽風從太陽表面出現(xiàn)的唯一方法。試圖用人造儀器來復制日食的嘗試，要么無法捕捉到所有現(xiàn)有的光的波長，要么無法揭示太陽表面上方的區(qū)域。對于Habbal和她的同事來說，日全食提供了他們研究的機會。

避免太陽的災難

太陽是地球上大多數(shù)生命的基本能量來源，但它也對現(xiàn)代社會構(gòu)成了重大威脅。太陽大氣層中的物質(zhì)爆炸會導致大量的高能粒子飛向地球，在那里它們可能會撞擊并破壞衛(wèi)星內(nèi)部的電子系統(tǒng)。在21世紀這有可能削弱影響從個人手機服務(wù)到全球經(jīng)濟一切的通訊網(wǎng)絡(luò)。

這些物質(zhì)的爆炸，稱為日冕物質(zhì)拋射(CMEs)，也可以將帶電粒子送到地球表面的磁力線上，在那里它們可以通過電網(wǎng)激增，造成嚴重的破壞，可能需要數(shù)周甚至數(shù)月的時間才能修復。1989年芝加哥商業(yè)交易所切斷了整個魁北克省的電力供應，并花了12個小時才恢復電力供應。北美其他地區(qū)當天也報告了2000多個電網(wǎng)問題，但包括美國在內(nèi)的其他國家避免了大規(guī)模停電。一些專家表示足夠大的芝加哥商品交易所可能會在數(shù)周或更長時間內(nèi)切斷整個歐洲大陸的電力供應。

美國宇航局太陽和太陽物理學觀測臺(SOHO)衛(wèi)星觀測到太陽表面的物質(zhì)噴發(fā)，稱為日冕物質(zhì)拋射。圖片：SOHO

正如Habbal希望研究太陽能夠幫助他們更好地預測太陽天氣事件，并有可能從毀滅性的太陽災難中拯救人類，就像在龍卷風或颶風中，地球上的天氣預報有助于拯救生命。但是日全食是唯一一次她能獲得對理解CMEs如何形成至關(guān)重要的數(shù)據(jù)，以及太陽的哪些特征可能預示著他們潛在的災難性的到來。

時間是至關(guān)重要的

地球上大約每18個月就會出現(xiàn)日全食。但不幸的是對于那些想要成為觀察者的人來說，這些壯觀的天體事件并不總是發(fā)生在容易接近人類的地方。另外日全食發(fā)生時，月亮只能完全覆蓋太陽最大7分鐘(這是由對象的大小以及它們?nèi)绾伪舜讼鄬σ苿?，但更多時候,全部只持續(xù)大約3或4分鐘。

考慮到這些因素如果Habbal和她的同事們能在地球上的每一次日全食都能看到，而且從未被遮蔽，他們可能希望在10年內(nèi)收集大約一小時的數(shù)據(jù)。

這可能看起來不太像，但Habbal說從觀測日全食的幾分鐘內(nèi)就能學到很多東西。她和她的同事們可以多年來從一個月食中擠出信息，或者將其與后續(xù)的日食數(shù)據(jù)結(jié)合起來，獲得更多的洞察力。這就是日食的驚人之處，每一次日食，甚至是日食圖像，都給了我們關(guān)于太陽的新發(fā)現(xiàn)。即使你只有幾秒鐘或幾分鐘的整體日全食，你也可以得到一些新的東西。

通過觀察某些波長的光，科學家們可以看到恒星表面的不同特征，比如這些“冠狀環(huán)”或“通量繩”，可以將熱物質(zhì)從表面上帶走。圖片：NASA/Solar Dynamics Observatory

例如在1869年的日全食時，天文學家們在太陽大氣的外層區(qū)域進行了化學分析，稱為日冕。研究結(jié)果表明科學家們以前從未見過的化學元素的存在，也無法識別70年。原來是鐵原子被加熱到如此極端的溫度有13個電子被釋放了。

這意味著日冕的溫度超過200萬(kelvins)或者大約360萬華氏度，或190萬攝氏度。

當然太陽很熱——它的核心溫度估計達到了2700萬攝氏度(1500萬攝氏度)的最高溫度。太陽的“表面”——或者人類可以直接觀察到的最深層的層——稱為光圈，大約是6700到11000攝氏度(3700到6200攝氏度)。

但在光圈之外事情開始逆轉(zhuǎn)，太陽大氣層的第一層，稱為色球?qū)樱酵庠綗?，頂部達到14000華氏度(7700攝氏度)。然后，事情變得很奇怪——在大氣層的下一層，日冕，到達峰值超過350萬度(200萬攝氏度)的溫度，比太陽表面溫度高200到300倍。想象一下，如果你點燃篝火，發(fā)現(xiàn)火焰周圍的空氣比火焰或木頭的溫度高200到300倍。什么樣的機制可以解釋這一點?

科學家們還沒有完全了解太陽的這種溫度差異的機理，但他們首先通過研究日全食來了解它。

一位科學家在印尼日全食之前調(diào)整觀測設(shè)備。圖片：Shadia Habbal

繼熱后

Habbal和她的同事們也在尋找鐵原子，在太陽的大氣中鐵缺失13個電子以及鐵10個電子，還有鎳、氬、鈣、氧和其他原子的原子缺失電子。(這些類型的原子被稱為離子。)特定類型的離子的存在與一定數(shù)量的缺失電子可以幫助揭示給定區(qū)域的溫度。通常這些離子即使在進入不同的區(qū)域時也會保持它們的“溫度特性”，這意味著它們可以幫助科學家在太陽和大氣中追蹤熱量和物質(zhì)的傳遞。了解太陽和它的大氣之間的熱量和能量是如何運動的，這對于破解超熱日冕的奧秘至關(guān)重要。科學家們說這也可能揭示出在大氣中何時會發(fā)生爆炸。

描述太陽纏繞的磁場線。信用：NASA / SDO / AIA / LMSAL

一個CME指的是來自太陽表面的帶電粒子和熱量的云，但是這些爆炸是由太陽的磁場產(chǎn)生的。如果你曾經(jīng)在磁鐵附近放置過鐵絲，你就會看到磁場線的存在，這是磁鐵吸引和互相排斥的原因。有一個簡單的條形磁鐵，電場線是整齊和對稱的，但在太陽上這些看不見的磁場線是扭曲和湍流的。它們被所謂的“通量繩”纏結(jié)在一起，它們可以在太陽表面形成一個稱為日珥的物質(zhì)環(huán)。如果這些突起能折斷，它們就可以掀起一股CME。

在2015年3月的一次日全食中(從斯瓦爾巴特群島上看)，Habbal和她的同事觀察到由芝加哥商品交易所(CME)在遠離太陽的空間中形成的物質(zhì)云。他們的發(fā)現(xiàn)是，來自日冕的超熱物質(zhì)的氣泡包含了一個較冷的物質(zhì)，它的核心是在它之前的突出物，就像一個反向的molten -熔巖蛋糕。哈布巴爾說以前沒有人觀察過類似的東西。

從物理學的角度來看，奇怪的是你有這種非常酷的材料——比冠狀材料要酷100倍——而且它似乎不關(guān)心熱材料，它只是在它飛走的時候保持它的身份。”

這一發(fā)現(xiàn)提供了另一個關(guān)于在這個環(huán)境中熱量和能量如何移動的難題。但Habbal和她的同事們認為，他們通過將eclipse的觀察結(jié)果與10年相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)了一個更大的發(fā)現(xiàn)。

太陽活動是指太陽表面爆發(fā)的CMEs的數(shù)量，以及明亮的太陽耀斑。太陽活動在11年的周期內(nèi)增加和減少，這一周期也反映在太陽表面太陽黑子的數(shù)量上。太陽黑子是由相對“冷”材料形成的暗斑(可見于太陽眼鏡)，這些物質(zhì)形成于一捆捆的磁力線穿過光圈的地方。雖然太陽黑子的增多與太陽活動的增加有關(guān)，但太陽黑子并不一定能直接反映出爆炸的來源或時間。

Habbal和她的同事們發(fā)現(xiàn)了日珥和“流紋”之間的直接聯(lián)系——在太陽的日冕中，日冕是最熱的區(qū)域。他們說似乎相對涼爽的日珥在推動日冕，對溫度有影響。

兩張照片構(gòu)成了這張合成圖像。固體紅色區(qū)域顯示了一種叫做日冕儀的儀器擋住了太陽的光，揭示了它的大氣層。但在日冕儀上施加的是太陽身體的尺度圖像；日冕儀阻擋了太陽內(nèi)部的大部分大氣層，因此無法取代日全食時的觀測。圖片：ESA/NASA

觀測結(jié)果表明這些洞見只能來自日全食，而且沒有人造的方法能像自然的日食那樣有效地阻擋太陽的光。被稱為日冕儀的儀器可以嘗試這種方法，但它們不會將大氣一直帶到太陽表面。此外日冕儀顯然要比月球小得多，因此也不能阻擋來自太陽的大部分光線。太陽的大氣層也與光圈的波長相同，所以不同波長的濾光器沒有幫助。

要解決日冕灼熱的溫度之謎還有很多工作要做，科學家們還不能準確預測CMEs會在哪里出現(xiàn)。但這些洞見提供了另一個線索，即圍繞著一個9295萬英里(1.49億公里)的恒星，這一復雜的熱量傳遞可以支持和摧毀生命。

因此在2017年的日全食中，Habbal和她的同事們有5個觀測站沿著全食的路徑分布，從俄勒岡到南卡羅來納，全長大約70英里(113公里)。多個觀測站將會給Habbal和她的團隊更多的觀察時間，而不是一個空間站，以及在幾個小時內(nèi)尋找大氣變化的能力。但哈布巴爾說，關(guān)鍵問題是要戰(zhàn)勝天氣。