今年的8月21日,月球的影子會落到地球表面上,整個北美洲都被月亮的影子籠罩。一條大約110公里寬的全食帶從美國的西北方往東南方畫過,這些位在全食帶上的人,有機會可以看見2分鐘左右的日全食!

日全食非常罕見,平均來說,地球上每18個月才會出現一次日全食,而同一個地方,將近 400年才能看見一次!地球上70%是海洋,所以全食帶往往出現在海上,扣除掉南北兩極和一些交通不容易到達的地方,能夠看見日全食的地方就更少了!這次發生在美國的日全食,可以讓許多人一睹難得一見的日全食奇觀,許多日食愛好者早早就定好行程、做好準備,就等8月21日這一天!

1999年8月11日發生的日全食。 /PHOTOGRAPH BY LUC VIATOUR / WWW.LUCNIX.BE
1999年8月11日發生的日全食。 /PHOTOGRAPH BY LUC VIATOUR / WWW.LUCNIX.BE

為什麼太陽和月亮看似一樣大?

太陽、地球和月球之間有一個巧合,太陽的直徑大約是月球的400倍,而太陽和地球的距離大約也是月亮和地球距離的400倍,所以太陽比月球遠400倍,使得太陽和月亮在天空中看起來的大小差不多。

地球繞太陽的軌道、月球繞地球的軌道,都是橢圓形,所以太陽和月球與地球的距離有時會近一些,有時會遠一些。這些距離的變化,使得有時太陽看起來稍微比月亮小,有時比月亮大。日食發生時,如果月亮看起來比太陽大,月亮就可以把整個太陽遮住,這樣就能看見日全食;如果太陽看起來比月亮大,那麼看到的則是日環食。

日食發生時,只有位在全食帶或環食帶上的人,能夠看見日全食或日環食。位在全食帶或環食帶以外的人,只能看見日偏食,也就是太陽只有被遮住一部分。並不是每次日食發生時,都會看到日全食或日環食,有時全食帶或環食帶會出現在南極或北極的上方,這時候我們只能看見日偏食。

日全食發生時,整個天空會變暗,氣溫下降攝氏5到10度,甚至還能看見天上的亮星,感覺很不真實,這也是日全食迷人的地方。雖然日環食天空也會變暗,卻沒有日全食那麼明顯,所以追逐日全食的人不少。

日食的過程

天文學家用「食分」來表示日食的程度,食分愈大表示太陽被月亮遮蔽的程度愈大。要計算食分,先畫一條通過太陽與月亮圓心的直線,食分就是太陽被月亮遮蔽的那一段長度,除以太陽的視直徑。

食分就是太陽被月亮遮蔽的那一段長度,除以太陽的視直徑。製圖:李昫岱
食分就是太陽被月亮遮蔽的那一段長度,除以太陽的視直徑。製圖:李昫岱

 

觀察每天月亮升起的時間會發現,月亮每天大約晚50分鐘升起,那是因為月亮每天由西往東移動的關係。太陽在天空中也會由西向東移動,不過相對月亮來說小很多。日食發生的時候,可以把太陽當作固定不動,月亮由西往東慢慢靠近太陽,所以日食是從太陽的西側開始被月亮遮蔽的。

日全食有五個階段:初虧、食既、食甚、生光和復圓,初虧和復圓是月亮和太陽的外緣相切,是日食正要開始和剛剛結束的時間,這兩個時間點的食分是0;而食既和生光則是月亮的外緣和太陽的內緣相切,也是日全食開始和結束的時候,這時的食分正好是1;食甚是月亮和太陽的中心最靠近,日食程度最大的時間,食分達到最大(比1大一些)。另外,日偏食時,不會出現食既和生光這兩個階段。

初虧、食既、食甚、生光和復圓。製圖:李昫岱
初虧、食既、食甚、生光和復圓。製圖:李昫岱

 

黃道與白道

黃道是太陽在天空中行走的路徑,而月亮在天空中移動的路線則稱為白道,當太陽和月亮同時出現在黃道和白道的交點上,就會發生日食。

日食發生在朔(農曆初一)的前後幾天,這時月球通過太陽和地球之間,把太陽遮蔽就會發生日食。如果月球繞地球的軌道面,和地球繞太陽的軌道面重合的話,每次的朔都會發生日食,但是月球繞地球的軌道面和地球繞太陽的軌道面之間有5度的傾角,所以並不是每次的朔都會發生日食,一年之中只有兩次機會,太陽與月亮會出現在黃道與白道的交點上,兩次相隔將近半年的時間。

日食地圖

日食地圖對日食的觀測非常有用,能夠告訴你哪些地方看得見日食?全食帶通過哪裡?現在的日食地圖還結合互動的Google地圖,可以提供各地日食食分,日食5個階段發生的時間,非常的方便!

日食地圖最西邊的三條南北方向紅線,由西往東這三條線各代表「日出時復圓」、「日出時食甚」和「日出時初虧」。「日出時復圓」表示太陽升起時,日食正好結束,所以這條線和這條線以西的人無法看見日食;「日出時食甚」則表示太陽升起時,正好發生食甚,如果在全食帶上的人可以看見一顆日全食的太陽從地平線升起;「日出時初虧」這一條線和這條線以東的人,則可以看見整個日食的過程。同樣的,日食地圖最東邊的三條南北方向紅線和最西邊的三條類似,由西往東三條線各代表「日落時初虧」、「日落時食甚」和「日落時復圓」。

2017月8月21日的日全食地圖。製圖:李昫岱(原圖取自NASA)
2017月8月21日的日全食地圖。製圖:李昫岱(原圖取自NASA)

日食地圖中最重要的是日全食帶,圖中以藍線標示,只有在全食帶上的人才能看見日全食,其他的地方只能看見日偏食。愈靠近全食帶的地方,食甚時的食分愈大,與全食帶平行的淺藍線,標示了那些地方食甚時的食分,最南和最北的兩條淺藍線則是能看見日食的南北界線,這裡的食分是0,看不見日食。

科學上的發現

我們平常看到的太陽是它的光球層,絕大部份的太陽光都是從這裡發出來,因為它太亮了,所以太陽的其他部位就不容易看見。日全食發生時,月亮正好把太陽最亮的部分遮住,這時就可以看見其他比較暗的部分。日冕是太陽外層的大氣,最早的觀測紀錄是公元968年的日全食,近代的科學家也會利用日全食短短幾分鐘的時間對日冕進行觀察研究。

1968年8月18日發生在印度貢土爾(Guntur)的日全食,法國的天文學家傑生(Pierre Jules César Janssen)在日全食時用光譜儀觀測太陽,他發現光譜上有一條不曾看過的譜線,後來的人認為這是一種新元素,就把它稱為氦(Helium),這個字源自希臘老太陽神Helios的名字,氦是宇宙中數量第二多的元素,僅次於氫,但是氦比空氣輕,它只要出現在空氣中,很快就會飄散到外太空,所以地球上反而非常稀少。

最著名的一次日全食觀測,應該是1919年5月29日,這次的全食帶從南美洲的巴西,跨過大西洋到非洲。為了要驗證驗證愛因斯坦1915年發表的廣義相對論,亞瑟.愛丁頓爵士(Sir Arthur Stanley Eddington)帶領一群人到非洲西岸外海的普林西比島(Príncipe)觀測日全食,為了預防沒有拍攝到日全食,還派了另外一群人到巴西做一樣的觀測。這次觀測的重點不是日全食,而是日全食發生時,太陽附近恆星的位移。根據廣義相對論的預測,太陽的重力會讓附近的時空彎曲,使遠方恆星的位置偏移,而愛丁頓等人就是要測量恆星位置的改變量和相對論預測的是否吻合。日全食觀測後的分析結果證明,愛因斯坦的相對論是正確的!人類對物理的了解,透過日全食的觀測又往前邁開了一大步!

愛丁頓等人在1919年5月29日拍攝的日全食。/PHOTOGRAPH BY F. W. Dyson, A. S. Eddington, and C. Davidson
愛丁頓等人在1919年5月29日拍攝的日全食。/PHOTOGRAPH BY F. W. Dyson, A. S. Eddington, and C. Davidson

臺灣什麼時候可以看見日食?

絕大多數的人都不是科學家,但是欣賞日食是每個人都可以做的事,把握住日食發生的時間,做好準備,沒有出國,在臺灣也可以觀看日食。

2019年1月6日日偏食

月球影子的最南端,通過嘉義縣和臺南市交界附近,向東延伸到臺東。位在月球影子最南端的人是看不見日食,因為月亮正好從太陽的邊緣切過。想要看見這次的日偏食就必須在更北的地方,而且愈北看見的食分愈大。

2019年12月26日日環食

環食帶通過南印度、蘇門答臘、新加坡和婆羅洲。台灣不在環食帶上,所以只能可見日偏食,愈往南看見的食分愈大。

2020年6月21日日環食

這一天正好是夏至,環食帶從臺灣的中部畫過,通過金門、澎湖、嘉義市和臺東與花蓮的交界處,這些地方可以欣賞到日環食,臺灣其他地方只能看見日偏食。這次的日食雖然是日環食,不過食分高達0.994,非常接近1,所以可以期待這次非常接近日全食的日環食。

2020年6月21日:日環食,環食帶通過臺灣中部。
2020年6月21日:日環食,環食帶通過臺灣中部。

2070年4月11日日全食

全食帶通過斯里蘭卡、中南半島、臺灣恆春半島最南端和蘭嶼,臺灣只有墾丁和蘭嶼可以看見日全食,其他地方只能看見日偏食。臺灣上一次發生日全食是1941年9月21日,下下一次的日全食則是2216年12月10日,這兩次的日全食都發生在北臺灣。

撰文:李昫岱(天文學博士,譯有《國家地理終極觀星指南》、《天文觀測完全指南》、《國家地理探險王野外觀察指南:觀測星空》,部落格「屋頂上的天文學家」)