2.11
天文学家为什么要观察日月食？

正是由于刚刚所提到过的这个条件，那个经常拖在月球后面的锥形长影，才会刚刚达到地面（图53）。严格来讲，月球阴影的平均长度要比月球离地球的平均距离小，因而如果只谈平均数，那就会得出结论，认为我们无论如何也不会看见日全食了。我们之所以经常看见日全食，就是因为月球绕地球的轨道是一个椭圆形，轨道的某一部分比另外一部分距离地球近42200千米：月球与地球之间的距离最近时是356900千米，最远时是399100千米。

月影的一端在地面上移动，在地面上划出了“日全食地带”（见图53）。全食地带宽不足300千米，所以每次能够看见日食的居民区的数目都是有限的。如果在考虑到日全食的时间只有几分钟（不超过8分钟），那我们就会明白为什么日全食是一种少见的奇景了。就地球上的某一地方来讲，日食要二三百年才会出现一次。

所以，科学家实际上是在追逐日食。他们组织远征队到地球上能够看见日食的地方去进行考察。这种地方有时候很遥远，但他们也不在乎。1936年6月19日出现的那次日食，只能在苏联境内才能看见全食。为了能观察到持续两分钟的日全食，有10个国家的70名科学家不远万里来到苏联。其中有4个远征队因为阴天的缘故，什么也没能看见。苏联天文学家的观测规模极其庞大，在全食地带中，苏联人组织的远征队近30个。

1941年，处于战争状态的苏联政府，依旧组织了一系列远征队，分布在从拉多加湖到阿拉木图的整个全食带上。1947年，苏联政府派出远征队赴巴西观察5月20日的日全食。苏联参加过的规模尤其庞大的观察日全食的活动是1952年2月25日和1954年6月30日。

月食的次数虽然只是日食次数的，但我们却能常常观察到月食。这个天文学上的矛盾是很容易解释的。

只有在月亮挡住了太阳的有限地带，我们才能在地球上看到日食。在这个地带里，有的地方看见全食，有的地方看见偏食（偏食就是太阳表面只有一部分被地球遮住）。在这一地带里，日食开始的时间不一样，这不是因为时间的计算方法不同，而是因为月影沿着地球表面移动，因此各个地方没入月影的时间是不一样的。

月食的情况就完全不同了。月食发生的时候，在可以看见月球的半个地球上都可以同时看见月食。月食发生的时候，月面的各种变化在不同的地方都可以同时看到，只是由于各地时间标准不同，因此月食的时间说起来也不相同。

天文学家用不着追逐月食，月食自己就会到来。但为了能观察日食，却需要进行远途旅行。天文家们组织远征队到热带的海岛、到西方或者东方很远的地方去，只是为了能看见黑暗的月球在几分钟的时间内遮住太阳的情景。

那么，为了观察转瞬即逝的日食而组织价格不菲的远征究竟值不值呢？难道不能在太阳没有被月球遮住的时候进行相同的观测吗？为什么天文学家们不制造人工日食呢，这只需要在望远镜里用一个不透明的圆片遮住太阳不就可以了吗？这样的话，就可以毫不费劲地观测到日食时的有趣现象了。

然而，这样的人工日食无法使我们看见太阳被月球遮住时候的情景。原因在于，太阳的光线在到达我们的眼睛之前穿过了地球大气层，因而被空气分子漫射了。也正是因为如此，我们在白天所看到的是明媚的蓝天，而不是一个点缀着繁星的黑色天空。我们置身于大气海洋的底部，如果用一个不透明的圆片遮住太阳，那么太阳射来的光线是看不见了，但我们头顶上的大气依旧受到太阳的照射，它依旧漫射光线，由此而遮住了天空的群星。如果遮蔽日光的那层幕位于大气之外的话，就不会有这种情况出现。月亮正是这样的一道幕，它比大气边界还要远几千倍。太阳光线在没有进入地球大气之前就被这个幕隔断了，所以暗影区中就不会产生光的漫射现象。诚然，漫射现象也不是完全不会发生。周围光区所漫射的光线仍然会少量进入暗影区，所以，在日全食的时候天也不会像半夜一样漆黑；此时只能看到最亮的星星。

在观察日全食的时候，天文学家们需要解决些什么问题呢？

首先，他们需要观察太阳外层所谓的“反变层”的光谱线。通常情况下，太阳的光谱线是位于一条明亮的谱带上的许多暗线。在太阳表面被月球完全遮住之后几秒钟内，它就会变成一条暗的谱带上的许多明线，也就是吸收光谱变成了发射光谱。这种发射光谱又叫闪光谱。它可以是一种宝贵的资料，供我们去研究太阳外层的性质。这种现象并非只在日食的条件下才能观测到。只不过在日食的时候可以看得很清楚，因而天文学家们都不愿错过这机会。

第二项任务是研究日冕。日冕是只能在日全食的时候才能观测到的几种奇特现象之一。它位于被太阳外层的火一般的突出物（日珥）围绕的黑色月面周围，并且在不同的日食时间内呈现出大小和形状各不相同的珠光（见图54）。日冕的长线通常是太阳直径的好几倍，其亮度大约是满月的一半。

1936年的那一次日食中，日冕尤其明亮，比满月还亮，这样的情形是很少见的。长长的略微朦胧的日冕光线达到太阳直径的三倍或者三倍以上；整个日冕呈现出五角形状，中心是黑色的月面（图54）。

有关日冕的性质现在还没有完全清楚。天文学家在日全食的时候拍摄日冕照片，测量它的亮度，研究它的光谱。这些都有利于研究它的物理构造。

第三项任务就是核对一般相对论的推论之一是否正确。按照相对论，星光经过太阳附近的时候都要受到太阳强大的引力而发生偏折，并且太阳附近的星星看上去都会发生位置的变化（见图55）。只有在日全食的时候才可以论证这个推论是否正确。

严格来讲，1919年、1922年、1926年和1936年日食期间测量的数据，并没能给我们决定性的结果，所以相对论的这条推论至今仍旧没有得到最终的论证[6]。

以上三点，即是天文学家们离开自己的天文台而跑到极为遥远，甚至极不友好的地方去观察日食的主要原因。

关于日全食景象本身，我们的文艺作品中有过极精彩的描述。在柯罗连柯的《日食》一书中，对1887年8月的日全食进行了生动的描写，这是他在伏尔加河岸游历耶韦茨城所见到的。以下为书中内容（略有删节）：

“太阳沉入了一片宽阔的朦胧的斑状云里，当它再次出现的时候已经亏损很多了……

“现在已经能用肉眼观看了，空中飘浮的轻雾把耀眼的光芒变成了柔和的光。

“一片安静。某处似乎可以听见神经质的、沉重的呼吸……

“过了半小时，天色几乎和平常一样。云彩时而遮住那个悬在高空的弯弯的太阳，时而又离开了。

“青年人既高兴又惊奇。

“老头子们叹息着，老夫人们歇斯底里地叹息着，有人甚至尖叫和呻吟，像是患了牙疼。

“天色明显地开始黯淡起来。人们的脸上出现了惶恐的神色，地上的人影黯淡不清。向下游驶去的船只轮廓变得模糊起来，失去往日的倩影。光亮显然在减少，但是这里既没有黄昏时的浓荫，也没有在低层大气里的回光返照，所以这很像是一个不同寻常的怪异的黄昏。景色变得相当模糊，绿草没有了绿色，山峦似乎失去了重量。

“当弯弯的太阳还有一线存在的时候，天地间仍是一个变得很暗的白昼。我觉得关于日食时天色黑暗的故事是夸大其词。我想：难道这一弯还在发光的太阳，这犹如在宽广的世界里被人忽视的小蜡烛，真的有那么重要的意义吗？难道这一丝光线逝去之后，黑夜就会来临吗？

“但这点微光熄灭了。它灭得如此突兀，好像是一个火花从黑暗的炉口跳了出去一般，跳开的时候伴随着黄金色的火星闪了一下。随着它的熄灭，黑夜就倾泻而下，笼罩了整个大地。我看见，一瞬间黑夜就来临了。这黑色的阴影犹如一张巨大的床单，出现在南方，很快沿着山峦、河流、田野飞驰而去，移过了整个天空，把我们包围住，眨眼间又把北方也包围住了。我站在河边的沙滩上，回头看背后的人群，他们也都一声不响。……人群汇聚成一片巨大的黑影。

“这并不是一个寻常的夜晚。夜色如此之亮，人的眼睛会不由自主地寻找那透过寻常夜间的黑影的银白色的月光。但是任何地方都看不见月光，也没有黑影。好像有些极其细微的、肉眼分辨不出的粉末从上空散落到地上来，又似乎有一张极其稀薄的网悬挂在空中。而在那侧面上方，空中远远的似乎有什么东西在发光，光亮照到我们这一片黑暗的阴影之上，使阴影的黑暗减轻了一些。在这一切迷人的景色之上，乌云在奔驰。乌云里似乎还在进行着猛烈的斗争。……圆形的、黑色的、似乎怀有敌意的像是蜘蛛的东西，抓住了耀眼的太阳，一同在高高的云际奔跑。从黑暗的幕后流溢出来某种变幻的光彩，使这些景色看上去像是活的，而云彩像是在惊惶无声地奔跑，这使景色变得更加变幻莫测。”

现代天文学家们对月食并不像对日食那样具有特别的兴趣。我们的祖先曾从月食中找到了地球是球形的证据。这种证据在麦哲伦环球航行中所起的作用是值得一提的。在一望无际的太平洋上疲惫地航行了很久之后，水手们绝望了。他们认为自己毫无退路地离开了大陆，走进了无边无际的大洋。唯有麦哲伦没有丧失勇气。这位伟大的航海家的一位同伴说：“教会虽然根据圣经告诉我们，地球是一片广阔的平原，四周包围着海水，但麦哲伦的信心依然坚定地认为：月食的时候，地球抛出的阴影是圆的。既然影子是圆的，那么抛出这个圆形的物体就应当是圆的。”在古代的天文学书中，我们可以找到有关月面阴影是由地球形状决定的图画（图56）。

今天我们已经不需要类似的证据了。但是月食却使我们能够按照月球的亮度和颜色去判断地球大气上层的构造。大家都知道，月球并不是完全消失在地球的阴影里，由于偏折到锥形阴影以内的太阳光的作用，我们依然能够看到它。这时候月亮的亮度和颜色引起了天文学家的极大兴趣。研究结果表明，它们竟和日中黑子的数目有关系。此外，月食的现象近来又被利用来测量月面在失去太阳照射的热力时冷却的速度（关于这一点以后还会谈到）。