地球、火星及其他地方的日食

【新三才編譯首發】2024年4月8日，北美將見證二十多年來最後一次的日全食。未來十年，世界其他地區將經歷這罕見的天體事件。當月球直接經過太陽和地球之間時，就會發生日全食，太陽的圓盤被遮擋，在日全食期間可觀察到日冕。雖然從地面觀察日食很壯觀，但從太空觀察，日食看起來就像是在地球表面移動的巨大影子。地-日-月系統獨特的幾何形狀使得日全食得以發生。日食也會發生在地月系統之外，儘管地球上不常見到這些世界的幾何形狀產生的令人驚嘆的景象。探索其他世界的太空船記錄了這些地球以外的日食。

                     左：日食的幾何示意圖；尺寸和距離不按比例。右：2024年4月8日日全蝕的路徑。

當月球經過太陽和地球之間時，月球將其影子投射到地球上，就會發生日食。雖然太陽比月球大得多，但距離也遠得多。從地球上看，太陽和月亮的角直徑大致相同，在天空中的大小也大致相同。當月球完全遮擋住太陽時，就會發生日全食。由於月球並沒有繞著地球完美運行，因此它在最遠點看起來較小，從而產生日環食。其他行星周圍的衛星也可能產生日食，儘管它們相對於太陽的不同大小不會產生我們熟悉的日食。擁有多個衛星的行星可能會同時發生不只一次日食。

 左：1966年11月，雙子座12號太空人在地球軌道上拍攝日全食。中：1967年4月，測量者3 號從月球觀測日全食。右：1969年11月，阿波羅12 號太空人員從月球返回時經歷了日食。在濺落之前不久，地球擋住了太陽。

1966年11月12日，雙子座12號太空人詹姆斯·A·洛弗爾(James A. Lovell)和埃德溫·E·“巴茲”·奧爾德林(Edwin E. “Buzz” Aldrin) 首次在地球軌道上拍攝了日食。飛行16小時後，當他們飛過地球時，幾乎看到了日全食。加拉巴哥群島和奧爾德林拍攝了幾張照片和一段短片。計算顯示，雙子座12號經過南美洲日食路徑中心3.4英里以內。 1967年4月24日，勘測者3號太空船第一次在月球上觀測到了日食。與在地球上觀測到的日食不同，這次地球本身擋住了太陽——當月球穿過地球的陰影時，地球上的觀察者將這一事件視為月食。 1969年11月，當阿波羅12號太空人查爾斯“皮特”康拉德、理查德F戈登和艾倫L比恩從第二次登月返回接近地球時，勘測者3 號——軌道力學為他們準備了一場表演。它們的軌跡穿過地球的陰影，看到了日全食。從他們的角度來看，地球大約是太陽的15倍。戈登透過無線電向任務控制中心報告，「我們在日食時看到了壯觀的景象」，比恩宣稱這是一個「奇妙的景象」。康拉德報導了快速變化的景色，太陽以360度的圓環照亮了地球的大氣層，顏色不斷變化，而地球仍然一片漆黑。黑暗中，他們可以看到雷雨中的閃電像螢火蟲一樣出現。當他們的眼睛適應了地球的黑暗部分時，他們看到了印度等陸地，甚至城市的燈光。他們報告說，在地球暗盤的中心看到了一個巨大的明亮圓圈，結果證明這是滿月從印度洋反射出來的光。

上：1999年8月月食期間從和平號太空望遠鏡拍攝到的月球陰影。圖片來源：由法國太空總署CNES提供。中：NASA太空人唐納德·R·佩蒂特(Donald R. Pettit) 在2002年12月遠征6號上從國際太空站觀測到了第一次日食。下：佩蒂特在2012年5月遠征31號上觀測到了第二次日食。

 此榮譽屬於法國太空人讓-皮埃爾·海涅雷 (Jean-Pierre Haigneré)，他在日食期間從地球軌道拍攝了第一張月球陰影照片。 1999年8月11日，身為遠征27號飛行工程師，他在俄羅斯和平號太空站上拍攝了日全食經過英國上空的照片。美國太空總署太空人唐納德·R·佩蒂特(Donald R. Pettit) 聲稱自己是在國際太空站拍攝日食的第一人，2002 年12月2日他在遠征6號上觀測到了日全食。作為補充聲明，2012年5月20日，佩蒂特在遠征31號太空站上觀測到了他的第二次日食，這次是西太平洋上空的日環食。 

左：2006年3月探險隊12號拍攝的東地中海日全食的影像。中：2017年8月遠征52號拍攝的北美日全食影像。右圖：2020年6月遠征63 號拍攝的日環食影像。 

左圖和中圖：2021年12月南極洲上空日食的兩張照片，分別來自太空站上的遠征66號機組人員（左圖）和深空氣候觀測站 (DSCOVR) 衛星。右圖：2023年10月北美上空日環食的 DSCOVR影像。

 除了佩蒂特的兩次目擊事件外，太空站工作人員還觀察並記錄了許多日食，他們能夠看到月球穿過地球表面時的陰影，這是由其軌道軌跡決定的。2006年3月29日探險隊12號觀測到日全食，2015年3月25日探險隊43號觀測到日全食，2017年8月21日探險隊52號觀測到最近一次從北美可見的日全食，2017年8月21日探險隊61號觀測到日環食。在2019年12月26日與2020年6月21日探險隊63號觀測到了日環食，2021年12月4日探險隊66號拍攝到了南極洲上空的日全食，2023年10月14日探險隊70號在北美觀測到了日環食。在近一百萬英里外的L1 地球-太陽拉格朗日點，美國國家海洋暨大氣總署的深空氣候觀測站(DSCOVR)衛星密切注意地球的氣候。DSCOVR上的相機和望遠鏡是NASA的地球多色成像相機 (EPIC)，拍攝了日食期間月球的影子以及月球掠過地球表面，令人驚嘆的圖像。

火星

在地月系統之外，水星和金星上不會發生日食，它們缺乏天然衛星來遮擋太陽。火星有兩顆小衛星：火衛一和火衛二，看起來只有地球上的一半大，它們都太小而無法完全遮蔽太陽。幾個探測器捕捉到火衛一和火衛二形成日環食。一些天文學家認為，由於火星衛星（尤其是火衛二）與太陽相比尺寸較小，從技術上講，這些衛星是凌日，而不是日食，但沒有正式的定義。機遇號火星探測器在抵達火星後不久，就在火星表面拍攝了第一次日食，首先是 2004年3月4日的火衛二，三天后是火衛一。最近，2022年4月20日毅力號火星2000探測器拍攝了火衛一的日環食，並於2024年1月22日拍攝了火衛二的日食（或凌日）。} 

左：機遇號火星探測器拍攝的火衛二（左）和火衛一在太陽前面穿過的影像。中：毅力號拍到2022年4月火衛一日環食的圖像。右：毅力號拍到2024年1月火衛二日食（或凌日）的圖像。

 木星

左圖：2004年3月28日哈伯太空望遠鏡拍攝的木星三重日食的紅外線影像，衛星木衛三、木衛一和木衛四在木星上的影子。中圖：2015年1月24日哈伯太空望遠鏡拍攝的木星多次食的影像，木星的五顆衛星－木衛四、木衛一、木衛二、阿瑪爾忒亞和底比—在木星上的影子。右圖：2014年12月，透過地球望遠鏡觀測到的木衛二食木衛一。

 由於氣態巨行星外層沒有固體表面，在行星周圍運行的眾多衛星中，太空船沒有拍攝任一衛星實際發生的日食圖像。透過地面和軌道望遠鏡和太空船，我們可以觀察到衛星在其母行星上投射的影子。木星上的日食並不罕見，因為與許多衛星相比，木星的體積較大，而且與太陽的距離也較遠。木星的衛星中，只有阿瑪爾忒亞、木衛一、木衛二、木衛三和木衛四這五顆衛星夠大或距離木星夠近，能完全遮蔽太陽。由於衛星軌道的傾斜度較低，每次旋轉會帶來影子。兩次、三次和多次同時發生的日食並不少見。哈伯太空望遠鏡觀測到了許多此類事件。考慮到木星衛星的數量，尤其是四顆大型伽利略衛星，軌道都非常靠近木星的赤道面，它們偶​​爾會互相遮住，外層衛星會從太陽和內層衛星之間經過。當地球穿過木星的赤道面時，幸運的觀測者使用地面望遠鏡可以捕捉到這些罕見的畫面，觀察伽利略衛星時有時會意外看到。 

左：2019年9月朱諾號拍到木衛一在木星上影子的影像。右：2022年2月朱諾號拍到木衛三在木星上投射出影子的影像。

自2016年以來朱諾號太空船一直圍繞木星運行，傳回了令人驚嘆的木星雲圖圖像。 2019年9月11日拍攝到木星彩色雲頂上木衛一影子的壯觀影像。 2022年2月25日，朱諾號拍攝了最大的衛星木衛三的影子。

土星及更遠的地方

左圖：2009年11月，當卡西尼號繞土星運行時，拍攝了衛星泰坦（中心）、土衛二（泰坦右下方）以及行星環的日食影像。中圖： 卡西尼號太空船在2009年11月拍攝到，衛星泰坦在土星上因土星曲率而拉長的影子。右圖：哈伯太空望遠鏡 2009年2月拍攝的四次日食影像，土星的衛星土衛二、土衛二、土衛六和土衛一在土星上的影子。

 與木星一樣，數十顆衛星圍繞土星運行，望遠鏡和太空船能充分的觀察衛星從土星前面經過並將其影子投射到土星上。卡西尼號太空船在2004年至2017年間圍繞著土星運行，拍攝了數千張土星、土星環和衛星的圖像。卡西尼號多次經過行星及其衛星的後面，造成了人造日食，而在其他時候，太空船則在行星雲頂上拍攝了衛星的影子。 2009年2月24日，當土星的衛星土衛二、土衛二、土衛六和土衛一經過土星時，將影子投射在雲頂上。哈伯太空望遠鏡拍攝到了一系列罕見的四重日食的圖像。

2013年11月，卡西尼號太空船在土星的一個軌道上飛越土星時，創造了這次人造土星日食，包括地球在內的許多天體都可見。

2013年7月19日，當土星遮住太陽時，卡西尼號從約75萬英里的距離拍攝了一系列影像。在「地球微笑日」的活動中，地球上的人們提前收到通知，卡西尼號將從 9 億英里之外拍攝照片，並鼓勵對著它的相機微笑。除了地球和月球之外，卡西尼號還在照片中捕獲了金星、火星和土星的七顆衛星。

左：合成影像顯示了太陽和一系列行星衛星的相對表觀大小。圖片來源：sdoisgo.blogspot.com 提供。中圖：2006年7月，哈伯太空望遠鏡拍攝的天王星及其衛星愛麗兒 (Ariel) 在地球上投射出的影子的影像。右圖：2015年7月，新地平線號太空船飛越冥王星時，產生了一次人造日食，太陽的光線凸顯了其稀薄的大氣層。

 地球佔據著獨特的位置，月球和太陽的視直徑幾乎相等，為日環食和日全食提供了機會。從太陽系較遠的行星觀察，太陽的表觀直徑減小，圍繞這些行星運行的衛星的表觀尺寸或大於或小於太陽。我們所知的日食在太陽系的其他地方並不存在。探索這些遙遠世界的太空船很容易透過穿越行星的影子來製造人造日食，通常會揭示重要訊息，例如新視野號對冥王星周圍稀薄大氣層的成像。

2021年至2030年日食路徑。

下一次要到 2044年北美才會有可見的日全食，但在接下來的幾年裡，在世界其他地區可見的幾次日全食將成為太空站上太空人相機的拍攝目標。探索太陽系行星的太空船將繼續記錄那些遙遠地方的日食。

(編譯：李明明)

(責任編輯：姜啟明)

(文章來源：新三才編譯首發)