本文是关于 2024 年 4 月 8 日在美国、墨西哥和加拿大部分地区可见的日全食的特别报道的一部分。
北美洲很快将迎来最罕见的天体奇观之一：日全食。4 月 8 日，月球将从我们的恒星前方经过，将吞噬太阳的阴影投射到整个大陆，从墨西哥的马萨特兰市一直到纽芬兰和拉布拉多省圣约翰斯的最东端。月球的阴影将花费大约两个半小时才能覆盖这片土地，对于路径上数百万的旁观者来说，白天将变成黑夜，持续时间长达四分钟。然而，热切期待这一事件的不仅仅是普通大众，这是 2044 年之前北美洲发生的最后一次日全食。科学家们正在为这次机会准备几项独特的实验，利用日食来窥探太阳最隐秘的秘密，并研究太阳对地球的一些微妙影响。
由于这次日全食发生在多雨的四月，对于地面上的旁观者来说，云层遮挡可能比 2017 年 8 月美国上一次日全食期间更为严重。但对于至少一组观察者——蒙大拿州立大学的安吉拉·德斯·贾丁斯领导的团队来说——云层将是受欢迎的。他们计划在日食展开时，发送数百个装有仪器的气球，在高达 35 公里的高空翱翔，以追踪日食对地球大气和天气的影响。德斯·贾丁斯说，在月球的阴影下，气温可能会突然骤降超过 5 摄氏度（约 10 华氏度）——这种扰动会使被称为重力波的巨大涟漪在下层云层中波动。“重力波基本上是大气中的压力波，”她说。“它们很重要，因为它们真正主导着大气中的混合和能量的传输。在气候变化的范围内理解它们非常重要。”
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在地面上，马萨诸塞州包容与 STEAM 可及性高级研究 (ARISA) 实验室的首席科学家特雷·温特将追踪完全不同的事物。通过钱包大小的 AudioMoths——他发送给数百名志愿者的配备麦克风的小型电子设备——温特将倾听月球扫过的阴影中及周围动物不断变化的声音。您仍然可以注册参与这个名为“日食声景”的项目。温特特别渴望听到蟋蟀的声音，预计随着黑暗短暂降临，蟋蟀会变得更加活跃。“许多蟋蟀物种在黄昏时分寻找配偶，”他说。“总的来说，我们预计蟋蟀的噪音和声音会增加，”尽管总是有出现意外的可能。
来源：凯蒂·皮克；来源：NASA（日食路径数据）
当然，我们也是动物，温特和他的志愿者也将观察和倾听日食路径上人类活动的变化——与大多数日全食不同，这次日全食涵盖了人口稠密地区，而不是偏远的海洋区域。“这是一个独特的科学机会，”温特说。
当太阳被月球遮挡时，最引人注目的特征之一是太阳日冕的突然可见。这是太阳大气层的最外层区域，从太阳表面延伸到恒星周围数百万公里。令人困惑的是，日冕的温度可以达到数百万度，而太阳表面或光球层的温度仅为 5,500 摄氏度（10,000 华氏度）。弄清楚为什么会这样长期以来一直是天文学中一个悬而未决的问题。“我们不知道涉及哪些机制来传递这种能量，”NASA 马歇尔太空飞行中心的天体物理学家亚当·科贝尔斯基说。日食提供了一个难得的机会，可以极其详细地观察日冕，月球对太阳的遮挡比人类可以创造的任何东西都更深入。“没有什么比抑制来自太阳表面深层的压倒性光线更有效的方法了，”国家太阳天文台的亚历山德拉·特里奇勒说。
这个机会引起了西南研究院阿米尔·卡斯皮的注意，他计划从空中利用这个机会。虽然他本人没有亲自飞行，但他将在一架 NASA WB-57 飞机上发送一个红外相机升空。通过安装在飞机机头的望远镜，红外相机将拍摄日食的多张照片，产生日冕在月球周围舞动的惊人图像。他和他的同事在 2017 年进行了相同的实验，当时太阳活动周期接近最低点；这一次，太阳活动周期正在接近最高点，这意味着看到的景象可能会更加壮观。例如，更活跃的太阳增加了卡斯皮看到并仔细研究日珥的机会，日珥是从太阳表面爆发到日冕中的巨大磁化等离子体团。“每次日食，太阳日冕都不同，”科罗拉多大学博尔德分校的太阳天体物理学家玛莎·卡扎琴科说。“这就是它的魅力所在。”
除了卡斯皮之外，NASA 的帕克太阳探测器和太阳动力学天文台以及位于夏威夷的丹尼尔·K·井上太阳望远镜 (DKIST) 也将一同研究日冕，DKIST 可以生成太阳表面的令人难以置信的高分辨率图像。DKIST 从其位置只能看到偏食，但更重要的是，当日食经过北美洲时，它将与其天基同伴协同工作，提供日冕的多个视角，以补充卡斯皮的观测。DKIST 的运营项目科学家特里奇勒说，获得这种增强的视角将是“首次测量日冕磁场的绝佳机会”。这将使科学家能够弄清磁场如何“连接到日冕的外部和内部”。除了帮助确定日冕加热的复杂物理学之外，了解太阳磁场如何在这个神秘区域传播可能有助于更准确地预测 направленные 地球的空间天气爆发。
业余无线电将是日食科学的另一个来源。斯克兰顿大学的纳撒尼尔·弗里塞尔将协调一个由数百名业余爱好者组成的团队，他们将相互发射无线电信号，以监测日食对地球高层大气的影响。无论月球的阴影落在哪里，它都会有效地在电离层中切出一个洞——电离层是地球表面上方 80 至 1,000 公里处的大气电离区域。“当发生日食时，阴影会阻挡来自太阳的 X 射线和紫外线能量，”弗里塞尔说。“当这种情况被阻挡时，电离要么减慢要么停止。”
通常，业余无线电操作员可以通过将无线电波从接收器之间的电离层反射来跨越数千公里的距离进行聊天，但日全食对电离层的破坏会改变通信条件。弗里塞尔预计，在月球的阴影下，该技术将抑制大约 14 至 30 兆赫频率的业余无线电通信，同时增强较低频率的通信。“日食创造了一个较弱的电离层，对无线电信号的弯曲较小，”他说。但他和他的团队将测量这种破坏以确保准确性。因此，当四月，通过最奇特的天体现象，月球完美地遮蔽太阳，使下方的大地变暗并召唤星星时，尽管这种景象会引起聚集人群无数的“哇”声和“啊”声，但对于弗里塞尔和他的团队来说，日食的顶峰将是片刻的近乎完全的无线电静默。