地球、火星及其他地方的日食

【新三才编译首发】

2024年4月8日，北美将见证二十多年来最后一次的日全食。未来十年，世界其他地区将经历这罕见的天体事件。当月球直接经过太阳和地球之间时，就会发生日全食，太阳的圆盘被遮挡，在日全食期间可观察到日冕。虽然从地面观察日食很壮观，但从太空观察，日食看起来就像是在地球表面移动的巨大影子。地-日-月系统独特的几何形状使得日全食得以发生。日食也会发生在地月系统之外，尽管地球上不常见到这些世界的几何形状产生的令人惊叹的景象。探索其他世界的太空船记录了这些地球以外的日食。

左：日食的几何示意图；尺寸和距离不按比例。右：2024年4月8日日全蚀的路径。

当月球经过太阳和地球之间时，月球将其影子投射到地球上，就会发生日食。虽然太阳比月球大得多，但距离也远得多。从地球上看，太阳和月亮的角直径大致相同，在天空中的大小也大致相同。当月球完全遮挡住太阳时，就会发生日全食。由于月球并没有绕着地球完美运行，因此它在最远点看起来较小，从而产生日环食。其他行星周围的卫星也可能产生日食，尽管它们相对于太阳的不同大小不会产生我们熟悉的日食。拥有多个卫星的行星可能会同时发生不只一次日食。

左：1966年11月，双子座12号太空人在地球轨道上拍摄日全食。中：1967年4月，测量者3 号从月球观测日全食。右：1969年11月，阿波罗12 号太空人员从月球返回时经历了日食。在溅落之前不久，地球挡住了太阳。

1966年11月12日，双子座12号太空人詹姆斯·A·洛弗尔(James A. Lovell)和埃德温·E·“巴兹”·奥尔德林(Edwin E. “Buzz” Aldrin)首次在地球轨道上拍摄了日食。飞行16小时后，当他们飞过地球时，几乎看到了日全食。加拉巴哥群岛和奥尔德林拍摄了几张照片和一段短片。计算显示，双子座12号经过南美洲日食路径中心3.4英里以内。 1967年4月24日，勘测者3号太空船第一次在月球上观测到了日食。与在地球上观测到的日食不同，这次地球本身挡住了太阳——当月球穿过地球的阴影时，地球上的观察者将这一事件视为月食。 1969年11月，当阿波罗12号太空人查尔斯“皮特”康拉德、理查德F戈登和艾伦L比恩从第二次登月返回接近地球时，勘测者3 号——轨道力学为他们准备了一场表演。它们的轨迹穿过地球的阴影，看到了日全食。从他们的角度来看，地球大约是太阳的15倍。戈登透过无线电向任务控制中心报告，「我们在日食时看到了壮观的景象」，比恩宣称这是一个「奇妙的景象」。康拉德报导了快速变化的景色，太阳以360度的圆环照亮了地球的大气层，颜色不断变化，而地球仍然一片漆黑。黑暗中，他们可以看到雷雨中的闪电像萤火虫一样出现。当他们的眼睛适应了地球的黑暗部分时，他们看到了印度等陆地，甚至城市的灯光。他们报告说，在地球暗盘的中心看到了一个巨大的明亮圆圈，结果证明这是满月从印度洋反射出来的光。

上：1999年8月月食期间从和平号太空望远镜拍摄到的月球阴影。图片来源：由法国太空总署CNES提供。中：NASA太空人唐纳德·R·佩蒂特(Donald R. Pettit) 在2002年12月远征6号上从国际太空站观测到了第一次日食。下：佩蒂特在2012年5月远征31号上观测到了第二次日食。

此荣誉属于法国太空人让-皮埃尔·海涅雷(Jean-Pierre Haigneré)，他在日食期间从地球轨道拍摄了第一张月球阴影照片。 1999年8月11日，身为远征27号飞行工程师，他在俄罗斯和平号太空站上拍摄了日全食经过英国上空的照片。美国太空总署太空人唐纳德·R·佩蒂特(Donald R. Pettit) 声称自己是在国际太空站拍摄日食的第一人，2002 年12月2日他在远征6号上观测到了日全食。作为补充声明，2012年5月20日，佩蒂特在远征31号太空站上观测到了他的第二次日食，这次是西太平洋上空的日环食。

左：2006年3月探险队12号拍摄的东地中海日全食的影像。中：2017年8月远征52号拍摄的北美日全食影像。右图：2020年6月远征63 号拍摄的日环食影像。

左图和中图：2021年12月南极洲上空日食的两张照片，分别来自太空站上的远征66号机组人员（左图）和深空气候观测站(DSCOVR) 卫星。右图：2023年10月北美上空日环食的DSCOVR影像。

除了佩蒂特的两次目击事件外，太空站工作人员还观察并记录了许多日食，他们能够看到月球穿过地球表面时的阴影，这是由其轨道轨迹决定的。 2006年3月29日探险队12号观测到日全食，2015年3月25日探险队43号观测到日全食，2017年8月21日探险队52号观测到最近一次从北美可见的日全食，2017年8月21日探险队61号观测到日环食。在2019年12月26日与2020年6月21日探险队63号观测到了日环食，2021年12月4日探险队66号拍摄到了南极洲上空的日全食，2023年10月14日探险队70号在北美观测到了日环食。在近一百万英里外的L1 地球-太阳拉格朗日点，美国国家海洋暨大气总署的深空气候观测站(DSCOVR)卫星密切注意地球的气候。 DSCOVR上的相机和望远镜是NASA的地球多色成像相机(EPIC)，拍摄了日食期间月球的影子以及月球掠过地球表面，令人惊叹的图像。

火星

在地月系统之外，水星和金星上不会发生日食，它们缺乏天然卫星来遮挡太阳。火星有两颗小卫星：火卫一和火卫二，看起来只有地球上的一半大，它们都太小而无法完全遮蔽太阳。几个探测器捕捉到火卫一和火卫二形成日环食。一些天文学家认为，由于火星卫星（尤其是火卫二）与太阳相比尺寸较小，从技术上讲，这些卫星是凌日，而不是日食，但没有正式的定义。机遇号火星探测器在抵达火星后不久，就在火星表面拍摄了第一次日食，首先是2004年3月4日的火卫二，三天后是火卫一。最近，2022年4月20日毅力号火星2000探测器拍摄了火卫一的日环食，并于2024年1月22日拍摄了火卫二的日食（或凌日）。 }

左：机遇号火星探测器拍摄的火卫二（左）和火卫一在太阳前面穿过的影像。中：毅力号拍到2022年4月火卫一日环食的图像。右：毅力号拍到2024年1月火卫二日食（或凌日）的图像。

木星

左图：2004年3月28日哈伯太空望远镜拍摄的木星三重日食的红外线影像，卫星木卫三、木卫一和木卫四在木星上的影子。中图：2015年1月24日哈伯太空望远镜拍摄的木星多次食的影像，木星的五颗卫星－木卫四、木卫一、木卫二、阿玛尔忒亚和底比—在木星上的影子。右图：2014年12月，透过地球望远镜观测到的木卫二食木卫一。

由于气态巨行星外层没有固体表面，在行星周围运行的众多卫星中，太空船没有拍摄任一卫星实际发生的日食图像。透过地面和轨道望远镜和太空船，我们可以观察到卫星在其母行星上投射的影子。木星上的日食并不罕见，因为与许多卫星相比，木星的体积较大，而且与太阳的距离也较远。木星的卫星中，只有阿玛尔忒亚、木卫一、木卫二、木卫三和木卫四这五颗卫星够大或距离木星够近，能完全遮蔽太阳。由于卫星轨道的倾斜度较低，每次旋转会带来影子。两次、三次和多次同时发生的日食并不少见。哈伯太空望远镜观测到了许多此类事件。考虑到木星卫星的数量，尤其是四颗大型伽利略卫星，轨道都非常靠近木星的赤道面，它们偶​​尔会互相遮住，外层卫星会从太阳和内层卫星之间经过。当地球穿过木星的赤道面时，幸运的观测者使用地面望远镜可以捕捉到这些罕见的画面，观察伽利略卫星时有时会意外看到。

左：2019年9月朱诺号拍到木卫一在木星上影子的影像。右：2022年2月朱诺号拍到木卫三在木星上投射出影子的影像。

自2016年以来朱诺号太空船一直围绕木星运行，传回了令人惊叹的木星云图图像。 2019年9月11日拍摄到木星彩色云顶上木卫一影子的壮观影像。 2022年2月25日，朱诺号拍摄了最大的卫星木卫三的影子。

土星及更远的地方

左图：2009年11月，当卡西尼号绕土星运行时，拍摄了卫星泰坦（中心）、土卫二（泰坦右下方）以及行星环的日食影像。中图： 卡西尼号太空船在2009年11月拍摄到，卫星泰坦在土星上因土星曲率而拉长的影子。右图：哈伯太空望远镜2009年2月拍摄的四次日食影像，土星的卫星土卫二、土卫二、土卫六和土卫一在土星上的影子。

与木星一样，数十颗卫星围绕土星运行，望远镜和太空船能充分的观察卫星从土星前面经过并将其影子投射到土星上。卡西尼号太空船在2004年至2017年间围绕着土星运行，拍摄了数千张土星、土星环和卫星的图像。卡西尼号多次经过行星及其卫星的后面，造成了人造日食，而在其他时候，太空船则在行星云顶上拍摄了卫星的影子。 2009年2月24日，当土星的卫星土卫二、土卫二、土卫六和土卫一经过土星时，将影子投射在云顶上。哈伯太空望远镜拍摄到了一系列罕见的四重日食的图像。

2013年11月，卡西尼号太空船在土星的一个轨道上飞越土星时，创造了这次人造土星日食，包括地球在内的许多天体都可见。

2013年7月19日，当土星遮住太阳时，卡西尼号从约75万英里的距离拍摄了一系列影像。在「地球微笑日」的活动中，地球上的人们提前收到通知，卡西尼号将从9 亿英里之外拍摄照片，并鼓励对着它的相机微笑。除了地球和月球之外，卡西尼号还在照片中捕获了金星、火星和土星的七颗卫星。

左：合成影像显示了太阳和一系列行星卫星的相对表观大小。图片来源：sdoisgo.blogspot.com 提供。中图：2006年7月，哈伯太空望远镜拍摄的天王星及其卫星爱丽儿(Ariel) 在地球上投射出的影子的影像。右图：2015年7月，新地平线号太空船飞越冥王星时，产生了一次人造日食，太阳的光线凸显了其稀薄的大气层。

地球占据着独特的位置，月球和太阳的视直径几乎相等，为日环食和日全食提供了机会。从太阳系较远的行星观察，太阳的表观直径减小，围绕这些行星运行的卫星的表观尺寸或大于或小于太阳。我们所知的日食在太阳系的其他地方并不存在。探索这些遥远世界的太空船很容易透过穿越行星的影子来制造人造日食，通常会揭示重要讯息，例如新视野号对冥王星周围稀薄大气层的成像。

2021年至2030年日食路径。

下一次要到2044年北美才会有可见的日全食，但在接下来的几年里，在世界其他地区可见的几次日全食将成为太空站上太空人相机的拍摄目标。探索太阳系行星的太空船将继续记录那些遥远地方的日食。

(编译：李明明)

(责任编辑：姜启明)

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