格林尼治時間2015年3月20日（周五）上午8時至9時許，歐洲將迎來一次日食奇觀。雖然日食每年發(fā)生兩次，但因為可觀測范圍極窄，覆蓋人口稠密區(qū)并不容易——上次歐洲有如此好運還是1999年8月。
本次日食事件里，北非、歐洲、中東以及西亞的部分地區(qū)都能見到不同程度的日偏食奇觀，由于本次日食全食帶起于北大西洋而終于北極圈，在北歐外海劃過一道美麗的弧線，因此最佳觀測地點位于挪威的斯瓦爾巴特群島和丹麥的法羅群島。兩個群島還為此爆發(fā)了游客爭奪戰(zhàn)，斯瓦爾巴特群島的綜合條件較好，還有一處古老的天文臺，因此各路天文界英豪一般前往此地；而法羅群島的招牌是我們這里沒有北極熊出沒，很安全。
雖然很多游客和天文愛好者會因為日食美景而前往圍觀，但天文學(xué)家看日食可就不僅是為了好看了。1919年5月29日的那一次著名的日全食，就曾幫助研究者驗證了愛因斯坦的廣義相對論。針對日食的科學(xué)觀測一般都具有極強的目的性，科學(xué)家可以通過日食來研究不同天文現(xiàn)象。當(dāng)月球陰影快速掃過地球時，包括全食帶內(nèi)的各種空間環(huán)境都會隨之發(fā)生變化，最直觀的感受是天空變暗了，熱輻射、電磁輻射在不同大氣高度上出現(xiàn)不同程度地波動。比如太陽輻射通量降低時電離層結(jié)構(gòu)與動力學(xué)特性受到影響，導(dǎo)致電子濃度降低；地磁活動開始出現(xiàn)擾動，對生物定向作用的影響也非常值得研究。2009年橫掃我國的日全食事件中，中科院、國家天文臺就聯(lián)合開展了一次引力異?，F(xiàn)象的觀測，探討日全食是否會對重力場產(chǎn)生擾動，確保衛(wèi)星運行在正確的軌道高度上。
本次發(fā)生歐洲方向的日食事件顯然也是一次千載難逢的觀測時機，從近地面層到日地空間、再到太陽物理都被列入了研究計劃。其中對太陽的研究比重可能更大一些，美歐的太陽物理學(xué)家們已經(jīng)在斯瓦爾巴特群島的天文臺架設(shè)好設(shè)備，試圖揭開太陽物理學(xué)上的最大謎團(tuán)：為什么日冕擁有極端異常的高溫？
日冕是太陽大氣的最外層。太陽的熱量來自核心的聚變反應(yīng)，核心溫度約1500萬攝氏度，到了表面就只有不足6000攝氏度了——這都很正常。可是，從太陽表面繼續(xù)向外進(jìn)入太陽大氣，溫度卻很快又開始上升，到了日冕區(qū)域溫度已經(jīng)高達(dá)100萬攝氏度，局部可飆升到200萬攝氏度，比太陽表面反而高出近300倍。這一反常高溫從何而來？如果僅從我們熟知的熱輻射、熱傳導(dǎo)等加熱過程去探尋日冕高溫之謎，明顯無法得到真實的答案，隱藏在日冕異常高溫背后的供能機制則更加變幻莫測。
認(rèn)識日冕是一個長期的過程，直到1860年之后天文學(xué)界才逐漸形成統(tǒng)一意見，確認(rèn)日冕是太陽最外的大氣結(jié)構(gòu)，而此前日冕一直被誤認(rèn)為是一種散射光。根據(jù)當(dāng)前太陽物理學(xué)的研究成果，日冕被定義為太陽的最外層大氣，分布在數(shù)倍太陽半徑的空間內(nèi)，充斥著由電子和離子組成的高溫等離子體流。從圖1中可以看出，日冕有些像太陽周圍雜亂無章的“頭發(fā)”，等離子體流在開放與封閉間相互演替的磁場控制下呈現(xiàn)出各種奇異的造型，時不時還會發(fā)生諸如日冕物質(zhì)拋射等現(xiàn)象。
日冕物質(zhì)拋射是太陽大氣中最壯觀的現(xiàn)象級表演，當(dāng)日冕結(jié)構(gòu)變?yōu)榄h(huán)狀或泡狀時，拋射行為即將開始，等離子體會以數(shù)百千米每秒的速度沖向宇宙空間。在短短數(shù)分鐘至數(shù)小時的時間內(nèi)，拋射出的等離子體質(zhì)量能夠達(dá)到10的13次方千克以上，能夠引發(fā)地磁暴、極光等現(xiàn)象，對地面電網(wǎng)、衛(wèi)星通信構(gòu)成極大影響。此現(xiàn)象在太陽活動的極大期每天都會上演，而且還不止一次，直到極小期才會正常一些，但每個月也要來那么幾次，分外妖嬈。
我們平時看到的太陽光基本上來自太陽的光球?qū)樱绻麑⒐馇驅(qū)悠骄炼仍O(shè)為1，那么日冕的亮度要低于十萬分之一。日冕的光學(xué)輻射主要集中在內(nèi)冕、E/L冕以及F冕上，厚度為2倍左右的太陽半徑，由于日冕亮度太低，因此觀測日冕需要借助一些特殊的儀器，比如日冕儀才能觀測。日冕儀的工作原理其實比較簡單，在望遠(yuǎn)鏡前段增加一個擋板正好把太陽主體部分遮擋起來，這項技術(shù)可追溯到1930年代。在此后的半個多世紀(jì)內(nèi)，人們不斷改進(jìn)日冕儀并將觀測高度提升，從高海拔地區(qū)到探空火箭、高空氣球，再到軌道平臺，以獲得更加“干凈”的日冕圖像。
不過研制日冕儀的技術(shù)要求較高，需要對日冕儀的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，遮擋部件形成的衍射光和散射光都是令人頭疼的問題，因此利用天然日全食事件研究日冕就成了最省心的途徑。當(dāng)月球把太陽完全遮擋時，就起到了望遠(yuǎn)鏡擋板的作用，這時候只要用普通的觀測設(shè)備就能對日冕展開研究了。如果說軌道級的日冕儀是高富帥的裝備，比如太陽與日光層觀測衛(wèi)星（SOHO）衛(wèi)星上造價不菲的LASCO大角度分光日冕儀，那么利用日全食觀測日冕估計是既經(jīng)濟又實惠的方法了。
日全食期間對日冕進(jìn)行觀測是太陽物理學(xué)家的必修課，除了跟著全食帶跑之外，還能在工作之余體驗異國風(fēng)情，何樂而不為呢。本次最佳觀測點斯瓦爾巴特群島就是一處集冒險與旅游為一體的綜合性體驗圣地，有冰川、北極熊、抹香鯨以及各種高山植物，還可以看極光，非常讓人羨慕。不過看似愜意的北極之旅其實并不輕松，天文學(xué)家們個個身負(fù)重任，其中一項任務(wù)就是揭開日冕超高溫之謎，這是世界級的難題。前些年《科學(xué)》雜志對現(xiàn)代天文學(xué)之謎進(jìn)行了排隊，不用說暗物質(zhì)、暗能量肯定高居榜首，可日冕超高溫之謎也不差，進(jìn)入了前八行列。
對日冕加熱機制的研究在上個世紀(jì)40至50年代進(jìn)入快車道，由于日冕在觀測上被考慮為波的行為，而且熱輻射與熱傳導(dǎo)機制又無法解釋得清楚，因此當(dāng)時科學(xué)家認(rèn)為聲波可能是日冕高溫的作用因素。我們知道聲波可在太陽大氣中進(jìn)行傳播，當(dāng)太陽色球?qū)游镔|(zhì)發(fā)生上下對流時，聲波可將能量從底層帶到上層，物質(zhì)對流作用也會引發(fā)激波效應(yīng)，進(jìn)一步參與能量交換機制。不過這個理論壽命比較短，太陽周圍的強磁場環(huán)境是不容忽視的存在，隨著觀測技術(shù)與軌道實驗室項目的推進(jìn)，美國宇航局將極紫外觀測儀搬到了“天空實驗室”上，距離地面400多公里，于是更加精細(xì)的日冕結(jié)構(gòu)圖像被拍到，來自太陽磁場作用的環(huán)狀與泡狀結(jié)構(gòu)赫然顯現(xiàn)，這說明日冕的加熱機制與磁流體動力有關(guān)。
當(dāng)前的主流理論認(rèn)為日冕物質(zhì)中含有大量等離子體，因此加熱機制不僅涉及到“磁”，還牽涉到“電”，日冕中的能量轉(zhuǎn)化主要集中在電流和磁場耗散如何轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿膯栴}上。磁重聯(lián)被認(rèn)為是磁流體動力框架下對日冕加熱的重要機制，通俗地說磁重聯(lián)就是太陽磁場局部“斷開”后再“連接”的現(xiàn)象，這時候磁場的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，并產(chǎn)生新的具有較高彎曲度磁力線，進(jìn)而對等離子體進(jìn)行加速，在磁能瞬間釋放的同時可轉(zhuǎn)化為動能和熱能。從中可以看出，磁重聯(lián)確實具備了一定的供能條件，在太陽磁場中存儲著大量的能量，要知道太陽耀斑的能量來自于太陽磁場，且磁重聯(lián)對日冕物質(zhì)噴發(fā)起到?jīng)Q定性的作用，磁場重新連接的過程伴隨著物質(zhì)噴發(fā)。
當(dāng)然日冕的高溫之謎與各種加熱機制是分不開的，并不是單一的加熱方式，尤其是在太陽周圍百花齊放的磁場背景下，每一種加熱機制都對日冕的百萬度高溫有一定的貢獻(xiàn)。需要注意的是，日冕能量耗散是非?？斓?，可達(dá)到每平方米數(shù)百瓦的規(guī)模向宇宙空間釋放，因此其加熱方式也應(yīng)該由一種來主導(dǎo)，否則不可能一直維持百萬度的高溫。在本次北極地區(qū)日全食的觀測中，科學(xué)家希望觀測到磁流體動力學(xué)的微小結(jié)構(gòu)，以便驗證何種機制來補充日冕的能量損耗。
此外，日食事件中還可以對掠日彗星和水星軌道之內(nèi)的小天體進(jìn)行觀測，如果全食期間有彗星從太陽附近通過，降低的太陽亮度有助于我們發(fā)現(xiàn)它們。同理，運行在水星軌道內(nèi)側(cè)的小天體也可以在日全食期間被發(fā)現(xiàn)。值得一提的是，本次全食帶可抵達(dá)北極圈內(nèi)，這時候北極圈內(nèi)正好處于極夜與極晝之交的時期，當(dāng)全食帶掃過北極時，北極的人們也正好度過了了長達(dá)6個月的極夜，迎來第一縷陽光，這個巧合發(fā)生的概率大約為50萬年一次。國內(nèi)一些天文愛好者也抵達(dá)了斯瓦爾巴特群島，共同享受這難得一遇的日全食盛宴。（編輯：Ent）
