网站邀请科学家撰写系列文章，从孩子的角度，认识科学世界的神秘和奇妙。今天，墨子沙龙继续为大家编译美文，推出第三期《日全食: 天赐的惊喜》。对于神奇的日食，科学家是怎么说的？
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日全食: 天赐的惊喜
摘要
日食是一种独特又让人惊喜的天文现象，它涉及地球、月球和太阳。在日食期间，月球会完全或部分覆盖太阳。因而，暂时地遮挡了太阳射向地球的光。日食还通过影响名为电子的微小粒子之间的距离来改变地球的大气。这些电子密度的变化可以通过一组名为全球导航卫星系统（GNSS）的卫星在全球各个地区进行测量。在本文中，我们将介绍最近两次日食期间观察到的电子密度变化。这具有重要意义，因为这些变化会影响基于卫星的导航（如手机上的GPS）和通信。
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日食期间会发生什么？
无论孩子还是大人，许多人得知他们所在的地方将能看到日食时，都会非常兴奋（图1）。在日食期间，每个人都会成为几分钟的天文学家。对于研究地球大气层的科学家来说，日食也是令人兴奋的，因为在日食期间，上层大气中的粒子会发生变化。在深入讨论这个话题之前，我们必须先解释一下日食期间到底会发生什么。
▲图1 - 2017年8月21日，密苏里州堪萨斯城克拉迪小学的孩子们观看日食窗体顶端，学生们正在练习如何正确使用日食眼镜，这种眼镜可以保护他们的眼睛不受太阳光线的伤害
太阳系中的每个物体在挡住入射太阳光线的同时都会产生阴影。当我们的天然卫星——月球，从太阳和地球中间经过时，地球上就会发生日食现象，最终将太阳遮挡在我们的视线之外。虽然太阳的直径约为月球的400倍，但太阳距离地球也约为月球距离地球的400倍。因此，从地球上观察太阳和月亮，它们看起来大小几乎相同。当月球完美地挡住太阳时，只能看到太阳的一个微弱的外环。这壮观的景象被称为日全食。此外，还有其他类型的日食。
偏食现象发生在月球只挡住太阳的一部分时。环形日食类似于日全食，但它发生在月球距离地球最远的时候，因此月球看起来较小。在环形日食中，月球的边缘会出现一个火红的发光环。图2A显示了各种类型的日食之间的区别。
▲图2 - (A) 日食有三种主要类型。当月球位于太阳和地球中间时，它可能完全遮住太阳（日全食）或部分遮住太阳（环形和日偏食）( )。(B) 导航和长距离通信的信号必须通过大气层的一层称为电离层。(C) 2017年8月21日（日全食）和2019年12月26日（环形日食）的日食位置和路径（红色曲线）。最大日食点由黄色星星标记。
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日食改变地球大气层
除了看起来壮观之外，日食可以让我们了解电离层的一些有趣现象。电离层是地球上空的一个层，位于地表以上约80至600公里处。电离层中的原子和分子通常会分解成为带电粒子——离子。
当它们吸收来自太阳的能量时，电离层中的离子可以呈正、负或中性电荷。电离层还含有许多自由电子，它们会影响无线电波和卫星信号。换句话说，电离层是大气的重要组成部分，因为它反射和改变了用于导航和远距离通信的无线电波和卫星信号（见图2B）。如果没有电离层，GPS等导航形式和远距离卫星通信将无法实现。
由于阳光的能量创造了电离层中的离子和电子，你可能会预测，在太阳食期间阳光突然消失可能会引起电离层的变化，而你的预测是正确的！在太阳食期间，当月球暂时阻挡了来自太阳的入射阳光到达地球时，电离层内阴影区域的电子密度会下降。
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研究电离层和日食的影响
科学家如何检测和测量电离层的变化？一种方法涉及使用卫星，特别是全球导航卫星系统（GNSS）网络。这是一组在全球范围内提供定位、导航和定时服务的卫星（图2B）。GNSS卫星持续环绕地球运行，让科学家能够捕捉日食期间发生的电离层变化。图2C显示了两次最近的日食的路径。其中一次是2017年8月21日穿过美国中部的日全食。另一次是2019年12月26日在东南亚发生的环形日食。当这两次日食达到最完整状态时，密集的GNSS网络捕获到电子密度在电离层阴影区的显著下降。电子密度的下降是因为进入的阳光暂时被阻挡无法到达地球，阻止了电离层中的原子和分子分解成离子，从而导致在日食发生时电子密度下降。这至关重要，因为它影响到无线电信号向地球偏远地方传播，也会影响通过大气层这一层的GNSS信号的传输。
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电离层中更有意思
科学家们发现，在日食期间，电离层中的电子数量减少是相当有意思的。然而，穿越天际的GNSS卫星的发现更有趣。在上述两次日食期间，电离层中还观察到了电子密度的轻微增加。电子密度增加的位置如图3所示。为什么这些区域在日食期间经历了电子密度的增加？科学家们提出，电离层与地球磁场之间的相互作用是造成了电离层中这种“兴奋状态”的主要原因。
▲图3 - 电离层在两次最近的日食期间电子密度的变化。深蓝色代表最大日食位置的电子密度下降。在南美洲和南极洲尖端（2017年8月21日日食）以及日本北部附近（2019年12月26日日食）的黄色斑块被红圈圈起，表示电子密度增加的区域。
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惊喜仍在继续
在本文中，您已经了解了日食及其对电离层的影响。在日食期间，电离层的电子密度显著下降，但在一些地区，电子密度神秘地略微增加。这些电离层的变化影响着无线电波和穿过大气层这一层的GNSS信号。这些发现令人兴奋，并且对于试图了解电离层特征以及它们如何在日食期间影响通信、导航和信息传输的科学家来说可能很重要。还有很多工作要做，还有许多重要问题有待解答。
术语表
日全食：当月球处于太阳和地球中间时，完全遮盖住太阳。
日偏食： 当月球处于太阳和地球中间时，部分遮盖住太阳。
日环食： 当月球距离地球最远时发生的日食。因此，在日食期间太阳不会被完全遮挡，只能看到一圈光环。
电离层：大气层的一层，从地球表面向上延伸80至600公里。它含有大量的离子和自由电子，对通信和导航至关重要。
离子：电荷带有电的（正电或负电）原子或分子。
电子： 原子的小粒子，带有负电荷。电子是固体中电流的主要载体。
阴影区：在日食期间，地球上的阳光暂时无法到达的地方。
全球导航卫星系统（GNSS）： 一组卫星，提供全球或区域范围的定位、导航和定时服务。例如，你手机使用的GPS就是由24颗卫星组成的。
电子密度：电离层单位面积内存在的电子数量。
作者
Bhaskar Kundu
我是一名地震学家，目前在印度鲁尔克拉国立理工学院地球与大气科学系担任助理教授。我利用野外观测、大地测量、实验室实验和遥感等各种方法来更好地理解地球复杂的系统。我也很喜欢望远镜和夜空，喜欢与我儿子艾蒙一起好奇地探索星星、行星和月亮的奥秘！
Batakrushna Senapati
我是来自印度国家技术研究所鲁尔克拉分校（National Institute of Technology, Rourkela）地壳测量实验室（Tectonic Geodesy Lab）研究员。我的研究主要集中在理解气候因素（例如降雨、降雪等）对地震发生过程的影响以及对电离层的研究。
Bhishma Tyagi
我是一名气象学家，就职于印度鲁尔克拉国立技术研究所（National Institute of Technology）的地球与大气科学系。我的工作主要集中在空气质量评估、气溶胶-云相互作用和气候变化研究方面。
小审读员：
Conrad（康拉德）
年龄：12岁
我喜欢珊瑚礁。我会弹大提琴。我觉得神经科学很酷，但我喜欢所有的科学，还喜欢竞技数学和学习新语言。
Poya（波亚）
年龄：15岁
嘿，我是波亚·拉希迪，15岁，住在伊朗。我在沙希德·贝赫什蒂高中读十年级。
原文：
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