“金环日食”奇观上演 来看看日食背后那些秘密③_风闻

从古至今，日食总是能引起人们的好奇，随着望远镜和摄影设备的更新换代，拍摄日食成为天文摄影爱好者的乐趣。那么怎么样才能拍出一张在朋友圈中大获点赞的日食照片呢？继续来看日食知识之旅吧~

近代以来的日食研究

天文学发展到今天，对于日食的观测与研究，早已脱离了神秘主义色彩。日食发生时，敲锣打鼓的场面在民间都已很难见到，更谈不上从官方角度对日食进行“献祭”，“天狗食日”的词汇也仅仅只是公众媒体在进行科普报道时的修辞手法。但这并不意味着天文学家们就不再关注日食了，恰恰相反，在当今科技的助力之下，对日食的研究呈现出了更为丰富的角度。

“武王伐纣”的故事，经过传统文学《封神演义》和电视剧《封神榜》的传播，在中华文化圈中早已是尽人皆知的历史典故，但由于文物资料的极度缺乏，曾经一度，历史学界对于“武王伐纣”的确切年份莫衷一是。但正如《荀子·天论》中所述“天行有常，不为尧存，不为桀亡”，天体的运行是如此地具有规律性，以当代的天文学技术，可以比较精确的推算出前后几千年来的日月五星的位置情况。因此，在“夏商周断代工程”当中，天文学家的工作就显得尤为重要了。这其中，文物与史料当中多次提及的“天再旦”（即发生在早上的大食分日食），成为了解开谜题的重要抓手。在天文学家将铜器铭文中的历日记载，与现代天文计算方法结合后，已经推算出“武王伐纣”的年代应当发生在公元前1046年。目前这一结论已经获得了学术界的广泛认可[1]。

关于日食的研究，流传更为广泛、更具传奇性的故事则发生在整整一百年之前。1915年11月，爱因斯坦在普鲁士科学院发表了著名的爱因斯坦引力场方程。这个方程描述了处于时空中的物质是如何影响其周围的时空几何，简单来说：重力会引起时空的弯曲。这一结论在当时的主流物理学界甚至被认为是荒诞不经的，而地球上的实验室内无法安放足够大质量的物体来进行这种实验，那么距离地球最近的，质量最大的物体当然就是太阳了。但是太阳实在是太明亮了，在它附近方向上的星星，全都淹没在耀眼的阳光之中，于是，科学家们想到了利用日全食食甚，太阳被月亮完全遮住的时候，来验证广义相对论。

1919年5月29日，英国天文学家亚瑟·爱丁顿率队在西非普林西比岛成功地进行了日全食观测。他拍下了食甚时，日面附近的背景恒星。经过分析发现，太阳的引力果然使遥远的恒星发出的光线发生了弯曲，证实了广义相对论所提出的引力透镜效应。这个实验在当时的科学界引起了极大的轰动。虽然事后证明，爱丁顿的观测数据存在着误差，但他的误差与广义相对论预言的几乎一致。可以说有点歪打正着了。

图1 太阳偏转星光的示意图

图片来源：NASA’s Goddard Space Flight Center

图2 英国天体物理学家亚瑟·爱丁顿在普林西比岛拍摄的日全食

来源：F. W. Dyson, A. S. Eddington, and C. Davidson, “A Determination of the Deflection of Light by the Sun’s Gravitational Field, from Observations Made at the Total Eclipse of May 29, 1919” Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical or Physical Character (1920): 291-333, on 332.

拍摄：F. W. Dyson, A. S. Eddington, and C. Davidson

只要你观察过一次日全食，就不难发现，在食甚阶段，日面边缘外侧有很浓密的白色丝絮状结构，即使肉眼裸眼都可以看到清晰的纹理，当然日全食过程中，只有食既到生光阶段阳光足够暗弱，可以用肉眼裸眼安全地观察。不晚于18世纪早期，天文学家开始对这一现象产生兴趣，后来，天文学家发现这种物质是属于太阳的。现在我们知道，日冕实际上是围绕太阳周围的等离子光环，太阳的日冕可以延伸到外太空数百万公里。

在很长一段时间里面，天文学家只能在日全食发生时的一小段时间窗口里，对其进行有限的观测，直到1930年法国天文学家伯纳德·里奥发明了日冕仪，天文学家的这一窘境才开始得到改善。但实际上，由于大气层的存在，使得日冕仪附近的阳光散射非常严重，早期的日冕仪效果非常有限，目前的做法也是更多的将日冕仪安放在海拔较高，空气较为稀薄的台站。著名的空间探测器SOHO卫星（太阳和太阳圈探测器）实际上就是一台在空间轨道运行的日冕仪，只有这样才可以成功的躲开大气层的干扰。就目前来说，想要在地面上对太阳日冕层进行观测，效果最好的办法还是借助超大型纯天然日冕仪——日全食食甚。

图3 2017年8月21日北美日全食食甚

拍摄：王乐天 处理：章佳杰

经过细致的数字图像处理过程，图片呈现出了非常丰富的细节。首先可以直观地看到日食的发生确实是由于月球的遮挡，阴影当中的月球地貌清晰可见，日面边缘的红色细节是太阳色球层喷发出的日珥，更外层向外舒展开的白色纹路则是日冕。日全食被誉为“效果最好的天然日冕仪”。为取得较好的图片呈现，图片在后期处理时，月球表面边缘细节做了适当拉伸。

当代业余天文爱好者观察、

记录日食的方法

如果你有幸能够在核心食带现场观看一次日食，尤其是日全食或者日环食的话，还是需要做一些准备工作的。无论你是用肉眼、望远镜还是照相机观察，整个过程中，最核心的工作就是保护好眼睛和器材免受阳光的伤害。

目前，业余天文领域最常用的减光用品就是巴德膜。巴德膜（AstroSolar）是“Baader

Planetarium”公司生产的一种用于观测太阳的产品。通过其可以有效的过滤太阳光。巴德膜可以做成“日食眼镜”供肉眼目视日食过程，也可以制成各种遮光罩罩在望远镜目镜、相机镜头前面。透过巴德膜，就可以清晰安全地看到一轮白色的太阳，也就是太阳光球层了。而如果你有足够的预算，还可以考虑购买一支除了看太阳，几乎什么也看不了的专用望远镜——日珥镜。日珥镜有一种独特的设计，只能够允许波长为635nm左右的光线透过望远镜光路成像。透过日珥镜，你能看到一轮红色的太阳，也就是太阳色球层。

此外，还有镀铬玻璃或者标号为ND100000的减光滤镜也是不错的选择。这两种配件都需要放置在光学设备的前端。观察太阳时，唯一能够可靠地安放在目镜这一端的望远镜配件叫做赫歇尔棱镜，但赫歇尔棱镜长时间使用会大量发热。而如果你没有这方面预算，简易的小孔成像装置也可以帮助你安全地观察日食。生活中使用的太阳眼镜并不适合直接看向太阳。

图4 12月26日，国家天文台沙河科普基地举办日偏食观测主题的开放日活动。当天开放的望远镜中，加盖了镀铬玻璃罩进行安全减光，为防止刮风或误触导致玻璃罩掉落，外层还缠绕了透明胶带。

图片来源：中新网

在不具备专业减光装备的情况下，还可以使用白板、花盆、泡面桶等简易材料制作投影装置，安放在小型业余望远镜后端，也可以安全地观察太阳。

图5 用自制的太阳投影装置观测日食

​望远镜后端安放白板，呈现出太阳镜像投影

图片来源：国家天文台沙河科普基地

2019年12月26日，北京市海淀区中关村第二小学天文社“星云社”的小天文爱好者们在使用自己制作的太阳投影装置（望远镜后端安放简易投影器，呈现出太阳正像投影），在校园里观察日偏食。

图片来源：中关村二小“星云社”

图6 天文爱好者孙思2019年12月26日在关岛拍摄日环食的设备。望远镜前端覆盖巴德膜，后端接驳照相机，可以安全地拍摄日面特写。但是巴德膜非常轻非常薄，在使用时要注意一定不能有折叠、破损。

供图：孙思

由于前文所述，日全食或日环食的发生区域非常有限且飘忽不定，随着交通工具的日益便利，越来越多的天文爱好者就像古典时代的天文学家那样，选择长途跋涉去追逐日食带的轨迹。

图7 2017年8月21日北美大日食期间，国内天文爱好者组织“星缘山风队”部分队员远跨重洋奔赴美国去观看日全食。这张图是当时的微信共享位置截图。各成员位置分布与日食带轨迹完美契合。

图片来源：星缘山风队

长途跋涉追逐日全食毕竟只是一小部分人能够实现，随着移动网络终端的普及，网络视频直播也成为了重要的天文科普手段。这几年来，“每逢日食必有网络直播”几乎成了固定规律，而传统的视频媒体在这方面还较为被动一些。足不出户，不用劳费旅途奔波就可以看到千里之外的日食情景，不得不说网络的发达为天文科普的传播插上了有力的翅膀。对，“我要上班”，“我要上学”，“我要照顾孩子”等等这些理由早已牵绊了我们追寻日食的脚步。很多天文爱好者只能够一边默念“我爱学习，工作使我快乐！”（大雾），一边打开视频天象直播，借助网络让自己远在天边的诗与远方放飞一会儿吧！

图8  2019年12月26日，国家天文台沙河科普基地与中新网合作，用网络视频直播当天北京日骗食食甚时的画面截图。左侧白色图像为覆盖巴德膜的望远镜采集的太阳光球层图像，右侧红色图像为日珥镜采集的太阳色球层图像。最多仅有约6.8%的日面被遮盖。

图片来源：中新网

但话又说回来了，如果你去了现场去看日全食，谁不想拍几张可以在朋友圈被点赞到爆的美照呢？那么，你就需要提前了解你下你前往的地点，日食将会出现在什么时间？届时太阳的方位角、高度角是多少？地面附近有哪些景物可以纳入画框？可能大多数人还是喜欢与风景的不期而遇。但在喜欢天文的摄影师看来，就俩字：“算它”。是的，这些内容都是可以通过事先的查询计算出来的，本文开头的那副壮美的日环食串图，就是摄影师提前做好了充足的准备而得到的。

为了拍摄这次日环食金环西垂的景象，他们不远万里远赴此次日食发生的最东端的陆地区域——关岛，为了将日环食的整个过程收纳在同样的构图当中，摄影师还需要选取合适的角度、镜头焦段。最终，摄影师将整个日食期间得到的49张照片叠加在一起，就获得了这样一张令人震撼的作品。

图9 2019年12月26日关岛日环食迭加图——日环食串   拍摄&制作：孙思

因为所有叠加素材是由同一台相机使用同样焦段向同一方向拍摄，记录的是连续时间内真实天象的变化，这张照片在真实性上是没有问题的。可以说，一张科学性与观赏性兼备的天文摄影作品，前期的准备工作甚至是比拍摄时的操作还要重要。

图10 多次追逐日全食天象的天文摄影师叶梓颐，此次选择了在偏食地区进行拍摄。她通过app辅助、手绘草图等方式构思创作。最终在高楼林立的长沙也拍摄到了效果很好的日偏食图片。图片来源：叶梓颐

笔者儿时在科普读物上曾读到过，日食期间，一些动物会有一些反常举动。例如，母鸡会回窝，犬类会吠叫。但其实，根据笔者收集到的信息显示，在日全食现场举动最反常的动物其实是——人类。就笔者的亲身经历而言，就有很多例子：众多患有严重拖延症的天文爱好者，能够为此提前一年请好年假规划好行程订好房间；工作中一脸严肃的互联网企业高管，在日食期间可以穿上奇装异服而毫不顾忌别人的眼光；足不出户的宅男宅女可以不远万里，追逐这短暂的几分钟日全食过程。最极端的情况，单就说从食既到生光的这几分钟时间里，人不分男女老幼，地不分东西中外，现场的观看人群都会不由自主地，大声呐喊鼓掌甚至手舞足蹈起来，这幅场景，真是令人觉得“人类的本质就是呐喊！”

欢呼呐喊之余，如果你还有精力，或许还可以求个婚。是的，你没有看错，求婚。笔者的一位著名摄影师朋友，在2016年追逐日全食的旅途中，带上了自己的女朋友。架设好相机，设置好快门线，快门一通狂拍之后变戏法似的拿出求婚信物，在食甚期间向女朋友求了婚。结果……不仅那张日全食摄影作品拿了世界级大奖，而且女朋友也成为了这位朋友的孩子他妈。日食真是令这位朋友事业爱情双丰收啊！

图11 天文爱好者于2019年7月2日（当地时间）,智利La Higuera日全食食甚期间，与爱人拍摄的合影

供图：steed

好了，不多说了，我要去追日食去了。

参考文献：

[1] 刘次沅：《夏商周断代工程丛书：从天再旦到武王伐纣-西周天文年代问题》，世界图书出版公司，2006年版