2023年的天空将出现很多奇妙而壮观的天文现象，这其中就包括令众多天文爱好者十分期待的日食和。今年全球将发生两次日食。两次日食分别是发生在4月20日的日全环食和发生在10月15日的日环食。其中，4月20日的日全环食是一次罕见的日食现象，它是日全食和日环食组成的混合日食，被称为“第四种日食”。混合日食看起来是像日环食还是像日全食，取决于观察者所在的位置。整个20世纪共发生了228次日食，其中只有6次混合日食。所以，4月发生的这次混合日食必定会吸引全世界天文爱好者的目光。
(资料图片)
难得一见的日食
日食以其短暂却绚烂的演出，吸引着成千上万的天文、摄影、科普爱好者和科研人员的目光。
日食，指在地球上看到太阳被月球遮蔽的现象。日食主要分为日偏食、日全食和日环食三种。不同类型的日食，与月球的影子结构和日食时地球在月影中的位置有关。若某次日食时，仅月球的半影落在地面上，该地区的人只能看到日轮的一部分缺失，就是日偏食；若某次日食时，月球的本影落到地面上，该地区的人会看到整个日轮被遮蔽，就是日全食；若某次日食时，只有月球的伪本影到达地球，则该地区的人会看到只有日轮的中央部分暗黑，就是日环食。
计算表明，平均每个世纪可出现67.2次日全食、82.2次日环食和82.5次日偏食。也就是说，在地球上看到日偏食的机会比较多，对于同一地区而言，平均每3年就可以看到一次日偏食。不过，由于日全食带和日环食带非常狭窄，每次日食时仅占据地球表面积的极少部分，有时还位于人口稀少或难以到达的地区，所以对于某一具体地区来说，看到日全食和日环食的机会就不算多了。
日全食的“最佳观影区”
虽然日食的发生具有不确定性，地球也并非太阳系中唯一能够欣赏日食或月食的行星，但地球仍然是欣赏日全食的“最佳观影区”。这是因为日全食的发生首先就要求行星要有较大的卫星。以火星为例，虽然火星有两个卫星，但它们都太小了，不能完全挡住太阳，因此在火星上看到的只是日偏食或是日环食。
我们能在地球上欣赏到壮观的日全食，要多亏月球完美的大小和月、地、日之间的相对距离。太阳直径大约是月球直径的400倍，太阳到地球的距离差不多也是月球到地球距离的400倍。因此从地球上看，人们会觉得太阳和月球几乎一样大，当月球运行到地球和太阳中间且完全挡住太阳时，我们就能在地球上欣赏到壮观的日全食了。
日全食是最神秘、最壮观、最具科研价值的天文现象之一。每一次日全食不仅会带来超炫的视觉享受，更像一场科学盛宴！一个多世纪以来，科学家们已经利用日全食实现了多项突破性研究成果，比如，破译太阳的结构和爆炸事件，为爱因斯坦的广义相对论提供有力证据，发现了一种新的化学元素——氦，等等。所以，每一次日全食都会令全球科学家深深着迷。
日全食提供的“天赐良机”
太阳的大气可分为光球、色球、日冕三层。平时人们看到的日轮是太阳的最底层大气（光球），厚度仅几百千米，太阳的可见光辐射几乎全部是由光球发射出来的。光球上方是厚度为几千千米的色球，亮度只有光球的万分之一。色球的外面有一层延伸至几个太阳半径之外的最外层大气（日冕），亮度只有光球的百万分之一。平时，暗弱的色球和日冕完全被明亮的天空背景所淹没，人们想看见它们，必须借用专门的日冕仪。
但发生日全食时，由于明亮的光球被月亮遮蔽，全食带地区上空的大气因失去强光照射而变得很暗，这使得红色的色球和银白色的日冕得以显现，为研究它们提供了绝佳的机会。 在日全食这一特定的时机和特定的条件下，科学家们通过观测色球和日冕来研究太阳的物理状态和化学组成。 例如，在1868年8月18日的日全食观测中，法国的天文学家让桑就从拍摄到的日珥的光谱中发现了一种新的元素——氦。 在他发现氦20多年后，英国化学家拉姆赛才在地球上找到氦。
日冕是太阳活动的重要发生区域，太阳的种种活动都会强烈影响地球生命的繁衍、通信导航、气象气候等，因此，日冕的结构、演化、物理机制等一直是空间物理研究的重要内容。《科学》杂志曾评选出了当代天文学八大未解之谜，其中就包含了违背热力学第二原理的日冕加热问题。这个问题也一直是国际物理领域的研究热点。
借助日全食发生的原理，科学家设计了“人造日全食”——日冕仪。日冕仪就是选用合适的滤光片充当“月球”，挡在望远镜和太阳中间以制造出日全食的效果，这样一来，科学家就可以通过日冕仪来持续观测太阳日冕。
日全食让人们更了解地球
我们不仅可以利用日全食研究太阳，也可以研究地球。发生日全食时，因为月球会遮挡住太阳，所以会导致到达地面的太阳辐射降低。在地球大气大约60～1000千米区域内，中性气体分子会因太阳辐射等的作用被部分电离，形成导电的电离层，而太阳辐射会影响电离层的电子产生率，所以电离层在白天和夜晚会产生不同的分层结构：白天，太阳辐射大，电离层分为D层、E层、F层（又分F1层和F2层），整体电子密度高；夜间，整体电子密度低，只存在E层和F层。
大气层结构图
某种程度上，日全食就像一次快速的日落日出，日食阴影区电离层光的电离突然停止，电子密度会显著下降，同时也会影响电子温度等。日全食的出现，给人们提供了一个在特殊情况下研究太阳辐射对地球大气层影响的绝佳机会。我们可以通过多种手段来测量电离层对日全食的响应，例如电离层测高仪、非相干散射雷达、GNSS（全球卫星导航系统）掩星等。通过这些手段，研究人员发现，日全食不仅作用于阴影区，还会通过大尺度重力波向全球范围传播。还有一些影响会通过热层大气环流沿磁力线运输，产生电离层的共轭响应。
除了电离层，太阳辐射对地球电磁场、臭氧层、低层大气，以及其他地球环境（如引力场、重力场、固体潮和宇宙线变化等）的影响等，也都可以在日全食时得到更深入的研究。
本文节选自《百科知识》2023.4B
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