【博科园-科学科普】2012年夏威夷大学(University of Hawaii)的天文学家、教授哈巴巴尔(Habbal)前往澳大利亚北部观看日全食，当时月球完全覆盖了太阳的表面。在这段短暂的时间里，当太阳盘完全消失在它的月球伴星之后，地球的一部分被阴影笼罩，在太阳通常看不见的大气层中，炽热的气体喷射到空中观察者那里，它被认为是肉眼可见的最惊人的自然现象之一。
图片：日食
但在2012年，哈布巴尔对美丽景色被云层遮住了，同样的事情发生在2013年，当时她前往肯尼亚，希望目睹另一次日全食。Habbal在2015年从斯瓦尔巴(北极圈以北的挪威群岛)看到了日食的清晰景象，但她的观点在2016年的印尼日食中再次被遮蔽。
Shadia Habbal调整设备，用来观察日全食时太阳的大气层。图片：Shadia Habbal
当天气破坏了他们的一天的准备，但是当哈比巴尔错过了日全食时，她失去的不仅仅是一次伟大的经历。作为一名在夏威夷大学的天文学家，她研究太阳风即一股从太阳表面流出的粒子流，这是一种持续的和风，并通过猛烈的喷发将物质喷射到太空中。Habbal说在日全食时，科学家最清楚地看到了太阳的低层大气——日冕，太阳风从太阳表面形成。
在日全食时，你可以从太阳表面开始观察到太阳半径的几倍。日全食是直接研究太阳风从太阳表面出现的唯一方法。试图用人造仪器来复制日食的尝试，要么无法捕捉到所有现有的光的波长，要么无法揭示太阳表面上方的区域。对于Habbal和她的同事来说，日全食提供了他们研究的机会。
避免太阳的灾难
太阳是地球上大多数生命的基本能量来源，但它也对现代社会构成了重大威胁。太阳大气层中的物质爆炸会导致大量的高能粒子飞向地球，在那里它们可能会撞击并破坏卫星内部的电子系统。在21世纪这有可能削弱影响从个人手机服务到全球经济一切的通讯网络。
这些物质的爆炸，称为日冕物质抛射(CMEs)，也可以将带电粒子送到地球表面的磁力线上，在那里它们可以通过电网激增，造成严重的破坏，可能需要数周甚至数月的时间才能修复。1989年芝加哥商业交易所切断了整个魁北克省的电力供应，并花了12个小时才恢复电力供应。北美其他地区当天也报告了2000多个电网问题，但包括美国在内的其他国家避免了大规模停电。一些专家表示足够大的芝加哥商品交易所可能会在数周或更长时间内切断整个欧洲大陆的电力供应。
美国宇航局太阳和太阳物理学观测台(SOHO)卫星观测到太阳表面的物质喷发，称为日冕物质抛射。图片：SOHO
正如Habbal希望研究太阳能够帮助他们更好地预测太阳天气事件，并有可能从毁灭性的太阳灾难中拯救人类，就像在龙卷风或飓风中，地球上的天气预报有助于拯救生命。但是日全食是唯一一次她能获得对理解CMEs如何形成至关重要的数据，以及太阳的哪些特征可能预示着他们潜在的灾难性的到来。
时间是至关重要的
地球上大约每18个月就会出现日全食。但不幸的是对于那些想要成为观察者的人来说，这些壮观的天体事件并不总是发生在容易接近人类的地方。另外日全食发生时，月亮只能完全覆盖太阳最大7分钟(这是由对象的大小以及它们如何彼此相对移动)，但更多时候,全部只持续大约3或4分钟。
考虑到这些因素如果Habbal和她的同事们能在地球上的每一次日全食都能看到，而且从未被遮蔽，他们可能希望在10年内收集大约一小时的数据。
这可能看起来不太像，但Habbal说从观测日全食的几分钟内就能学到很多东西。她和她的同事们可以多年来从一个月食中挤出信息，或者将其与后续的日食数据结合起来，获得更多的洞察力。这就是日食的惊人之处，每一次日食，甚至是日食图像，都给了我们关于太阳的新发现。即使你只有几秒钟或几分钟的整体日全食，你也可以得到一些新的东西。
通过观察某些波长的光，科学家们可以看到恒星表面的不同特征，比如这些“冠状环”或“通量绳”，可以将热物质从表面上带走。NASA/Solar Dynamics Observatory
例如在1869年的日全食时，天文学家们在太阳大气的外层区域进行了化学分析，称为日冕。研究结果表明科学家们以前从未见过的化学元素的存在，也无法识别70年。原来是铁原子被加热到如此极端的温度有13个电子被释放了。
这意味着日冕的温度超过200万(kelvins)或者大约360万华氏度，或190万摄氏度。
当然太阳很热——它的核心温度估计达到了2700万摄氏度(1500万摄氏度)的最高温度。太阳的“表面”——或者人类可以直接观察到的最深层的层——称为光圈，大约是6700到11000摄氏度(3700到6200摄氏度)。
但在光圈之外事情开始逆转，太阳大气层的第一层，称为色球层，越往外越热，顶部达到14000华氏度(7700摄氏度)。然后，事情变得很奇怪——在大气层的下一层，日冕，到达峰值超过350万度(200万摄氏度)的温度，比太阳表面温度高200到300倍。想象一下，如果你点燃篝火，发现火焰周围的空气比火焰或木头的温度高200到300倍。什么样的机制可以解释这一点?
科学家们还没有完全了解太阳的这种温度差异的机理，但他们首先通过研究日全食来了解它。
一位科学家在印尼日全食之前调整观测设备。图片：Shadia Habbal
继热后
Habbal和她的同事们也在寻找铁原子，在太阳的大气中铁缺失13个电子以及铁10个电子，还有镍、氩、钙、氧和其他原子的原子缺失电子。(这些类型的原子被称为离子。)特定类型的离子的存在与一定数量的缺失电子可以帮助揭示给定区域的温度。通常这些离子即使在进入不同的区域时也会保持它们的“温度特性”，这意味着它们可以帮助科学家在太阳和大气中追踪热量和物质的传递。了解太阳和它的大气之间的热量和能量是如何运动的，这对于破解超热日冕的奥秘至关重要。科学家们说这也可能揭示出在大气中何时会发生爆炸。
描述太阳缠绕的磁场线。信用：NASA / SDO / AIA / LMSAL
一个CME指的是来自太阳表面的带电粒子和热量的云，但是这些爆炸是由太阳的磁场产生的。如果你曾经在磁铁附近放置过铁丝，你就会看到磁场线的存在，这是磁铁吸引和互相排斥的原因。有一个简单的条形磁铁，电场线是整齐和对称的，但在太阳上这些看不见的磁场线是扭曲和湍流的。它们被所谓的“通量绳”缠结在一起，它们可以在太阳表面形成一个称为日珥的物质环。如果这些突起能折断，它们就可以掀起一股CME。
在2015年3月的一次日全食中(从斯瓦尔巴特群岛上看)，Habbal和她的同事观察到由芝加哥商品交易所(CME)在远离太阳的空间中形成的物质云。他们的发现是，来自日冕的超热物质的气泡包含了一个较冷的物质，它的核心是在它之前的突出物，就像一个反向的molten -熔岩蛋糕。哈布巴尔说以前没有人观察过类似的东西。
从物理学的角度来看，奇怪的是你有这种非常酷的材料——比冠状材料要酷100倍——而且它似乎不关心热材料，它只是在它飞走的时候保持它的身份。”
这一发现提供了另一个关于在这个环境中热量和能量如何移动的难题。但Habbal和她的同事们认为，他们通过将eclipse的观察结果与10年相结合，发现了一个更大的发现。
太阳活动是指太阳表面爆发的CMEs的数量，以及明亮的太阳耀斑。太阳活动在11年的周期内增加和减少，这一周期也反映在太阳表面太阳黑子的数量上。太阳黑子是由相对“冷”材料形成的暗斑(可见于太阳眼镜)，这些物质形成于一捆捆的磁力线穿过光圈的地方。虽然太阳黑子的增多与太阳活动的增加有关，但太阳黑子并不一定能直接反映出爆炸的来源或时间。
Habbal和她的同事们发现了日珥和“流纹”之间的直接联系——在太阳的日冕中，日冕是最热的区域。他们说似乎相对凉爽的日珥在推动日冕，对温度有影响。
两张照片构成了这张合成图像。固体红色区域显示了一种叫做日冕仪的仪器挡住了太阳的光，揭示了它的大气层。但在日冕仪上施加的是太阳身体的尺度图像；日冕仪阻挡了太阳内部的大部分大气层，因此无法取代日全食时的观测。图片：ESA/NASA
观测结果表明这些洞见只能来自日全食，而且没有人造的方法能像自然的日食那样有效地阻挡太阳的光。被称为日冕仪的仪器可以尝试这种方法，但它们不会将大气一直带到太阳表面。此外日冕仪显然要比月球小得多，因此也不能阻挡来自太阳的大部分光线。太阳的大气层也与光圈的波长相同，所以不同波长的滤光器没有帮助。
要解决日冕灼热的温度之谜还有很多工作要做，科学家们还不能准确预测CMEs会在哪里出现。但这些洞见提供了另一个线索，即围绕着一个9295万英里(1.49亿公里)的恒星，这一复杂的热量传递可以支持和摧毁生命。
因此在2017年的日全食中，Habbal和她的同事们有5个观测站沿着全食的路径分布，从俄勒冈到南卡罗来纳，全长大约70英里(113公里)。多个观测站将会给Habbal和她的团队更多的观察时间，而不是一个空间站，以及在几个小时内寻找大气变化的能力。但哈布巴尔说，关键问题是要战胜天气。
作者：Calla Cofield
来自：Space
编译：中子星
审校：博科园
