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錯過明天,再等十年!安全觀測日環食全指南

http://finance.sina.com   2020年06月20日 19:33   北京新浪網

  來源:返樸

  6月21日,難得一見的日環食就要上演,下次日環食經過中國要等十年之久,在相同的城市發生可能要百年後。那麼,該怎麼觀測寶貴的日環食?不但不能用裸眼、望遠鏡、照相機、攝像機來直接觀測,即便和佩戴太陽鏡、黑膠片等物品也不行。道理何在?這裏有一份專業的安全觀測日環食指南,還教你如何製作簡易裝備,動起手來吧!

  2020年6月21日將會發生一次難得一見的日環食。整體食甚(月球對太陽遮擋最多的時刻)將發生在北京時間下午2:40:04,此時太陽在中印邊界的正上方,全國大部分地區都可看到日偏食。日食可觀測區會一直向東移動,在此後的兩小時內西藏、四川、貴州、湖南、江西、福建和臺灣等地的一些城鄉將依次迎來日環食景觀。儘管各地的偏食景觀可持續兩三個小時,但環食只持續若干分鐘並只在很小範圍內可見。

  但你知道嗎,很多常見的日食觀測方法其實是非常危險的。因觀察日食而視覺受損多發生在兒童和青少年身上,本文旨在及時幫助大家做好準備,清晰又安全地觀測6月21日即將發生的日食。文末附有彩蛋教大家在6月21日(夏至)的正午測量當地的維度和經度。

  錯過了這次日環食,還要等多久?

  下圖按時間順序編號展示了未來十年的各次日食的可觀測區域。

圖片來源:timeandtime.com圖片來源:timeandtime.com

  6月21日,在這個地圖上(1)號深紅色飄帶區域的人,將有幸觀察到日環食(不被雲遮擋的話)。而在這條紅色飄帶南北兩側上千公里的範圍內,則可以觀察到不同程度的日偏食,如下圖。


本次日環食觀測區和不同程度日偏食觀測區 | 圖片來源:timeandtime.com

 圖片來源:timeandtime.com 圖片來源:timeandtime.com

  之後到2022年10月25日,中國西部地區能再次看到日偏食(黃色區域標號6)。北美洲未來的兩次日食將出現在2023年10月14日(在北美洲西南部可以觀測的日環食,紅色飄帶標號8)和2024年4月8日(北美洲南部和東部可觀測的日全食,紅色飄帶標號9)。

  中國東部和中部地區的同學,如果錯過今年6月21日,則要等到2030年6月1日才能再看到一次日偏食。而日環食或日全食則平均要過幾百年才會在同一個地方再次出現。你準備好迎接這次難得一見的日食了嗎?

  日食或許是人們在日常生活中就能遇到的最令人興奮的天文現象之一,也是衆多攝影愛好者最愛的題材之一。對日食的觀察可以激發人們對科學的熱情,幫助大家透徹地理解很多書本上的科學知識,從天體運行軌道的數學規律,到環境光照水平的輻射測定法和光度測定法的原理,不一而足。各種觀測日食的方法可以讓人們瞭解多種光學設備的原理和動手實踐應用。在今後的文章裏,筆者會更多地介紹與日食月食相關的科學,本文只討論如何安全地觀察日食(和其他關於太陽的天象)。

  觀察日食可能會造成哪些危害?

  太陽給地球送來了溫暖和光明,可她也是一個巨大的核反應堆,時刻輻射着整個電磁波譜上的各類電磁波。穿透大氣層有效到達地面的太陽輻射範圍,包括從波長290納米的紫外線、可見光、紅外線、微波,到波長几米的無線電波。

  紫外線屬於電離輻射,單個光子可以破壞分子內的化學鍵,因此可能破壞DNA從而引發皮膚癌變。紫外線曝露也會加劇眼球表面的老化,增加白內障發生概率。即使是太陽的可見光部分,也因爲亮度過高,可以對我們的眼睛造成永久性的傷害。類似激光致瞎,觀測日食導致的暫時和長久失明也時有發生。

  更重要的是,雖然人類的視覺神經只能感知波長在400到700納米左右的可見光,可是波長從380到1400納米的可見光和紅外線都能暢通地穿過我們的眼球組織到達視網膜。所以即使是那些代表着溫暖,又不可見的紅外線部分,也可以因爲強度過高,對我們的視網膜造成局部的熱損傷。我們的視網膜既感知不到紅外線,又沒有痛覺神經,所以如果發生了紅外線熱損傷,我們並不能及時察覺,因爲不會馬上感到不適。

  我們不需要對強度不高的普通電磁輻射(無線電波、微波、紅外線等無法電離原子或分子的電磁波)過多擔心,但我們一定要小心來自太陽的紫外線輻射以及強可見光和強紅外線,避免它們可能造成的永久性的傷害。這些傷害可能在比幾秒還短的時間內發生,而且可能不易察覺,所以學會真正安全地觀察日食非常重要。

  觀察日食的第一要素是永遠不要直接裸眼看太陽。在日出日落的時候,地平線方向的太陽被極長距離的大氣散射掉了絕大部分的光,這時你可以用肉眼去短時間觀察一下紅彤彤的夕陽,但專業意見也不會鼓勵這種行爲。除此之外,一定不可以直接用裸眼觀察太陽。

  即使發生日食,當百分之九十九以上的太陽面積都被擋住的時候,也不可以裸眼看太陽。同理,也不要用相機或手機直接對太陽進行拍攝,越是精細的感光系統(例如視錐感光細胞和相機的高敏感光器件)越容易在強光作用下被永久性破壞。

另外,月球表面有很多坑坑窪窪的環形山,發生日環食時,太陽很可能從月球帶小坑的外延漏出耀眼的陽光,形成鑽戒形狀的奇觀。這是攝影師的大愛,但直接觀察它和拍攝它對眼睛和相機的損害都是巨大的。

  安全觀察日食通常有兩類辦法:

  一類是過濾掉絕大部分的光,包括紅外線和紫外線;一類是讓太陽在屏幕上成像。

  過濾法

  正規的太陽觀測過濾膜或觀測鏡表面上看起來跟黑灰色鋁箔紙一樣不透明,它們實際上能夠過濾掉超過99.999%的可見光和紫外線,以及超過99.99%的紅外線,也就是透射率不到萬分之一或者十萬分之一。它們的價錢也並不昂貴,在美國有些幾美元就能買到。

 太陽觀測過濾膜 | 圖片來源:(左上)作者;其餘Amazon.com,Thousand Oaks Optical 4“x4” Solar Filter Sheet for Telescopes, Binoculars and Cameras 太陽觀測過濾膜 | 圖片來源:(左上)作者;其餘Amazon.com,Thousand Oaks Optical 4“x4” Solar Filter Sheet for Telescopes, Binoculars and Cameras

  判斷濾膜效果的專業術語叫吸光度(optical density),比如吸光度爲5的過濾膜意味着透射率爲10的5次方分之一(十萬分之一)。上圖的濾膜吸光度在4.5到5.5之間,只能透射十萬分之一的可見光和幾萬分之一的紅外線,這類鍍膜才可以被安全地用來觀察或拍攝日食。另一個常見參數遮光號(shade number)是吸光度乘以7/3再加上1。這項參數達到12-16的濾鏡或濾膜才能用來安全觀測日食。

  而普通的墨鏡透光率一般是10%到25%, 請勿戴墨鏡觀察日食。即使戴五六層墨鏡,可見光透過率降低到了幾萬分之一,也不一定能過濾紅外線。

  我們上小學的時候,學校讓我們帶一塊塗了墨的玻璃(或者煙燻過的玻璃)去觀察日食,這也只是聊勝於無的保護,並不安全,更不能長時間使用。而偏振濾光鏡(比如多數3D電影眼鏡)透光率是百分之五十,如果在同樣方向疊加使用,無論加多少層都沒有更好的遮光效果。

  直到現在,很多介紹日食觀察的文章作者都沒有意識到這樣做對讀者的誤導。特別是使用多層墨鏡或煙燻玻璃等,讓太陽看起來很黯淡,眼睛不覺得難受,就誤以爲安全。其實這會更加危險,因爲暗光下瞳孔會放大,眼睛不覺得難受就更容易失去警惕而長時間觀察,可是紅外線能直達視網膜,而我們不能及時意識到紅外線對視網膜的損傷。

  再次強調,不要用肉眼和不安全設備觀察太陽!以下爲NASA日食觀測網站原文:“不安全的濾鏡包括所有彩色膠捲、不含銀的黑白膠捲、成像的照相底片(X射線和快照)、煙燻玻璃、太陽鏡(單副或多副)、攝影中性灰度濾鏡和偏光鏡 ,它們中的大多數會透射大量不可見紅外輻射,引起視網膜熱灼傷。”(出自:https://eclipse.gsfc.nasa.gov/SEhelp/safety2.html )

  使用透光率低於幾萬分之一的過濾法,除了可以用來觀察日食,還可以用來觀察太陽表面的黑子,以及金星水星凌日等現象。

  請一定不要將就着用以上各類緩解眼睛不適的遮光物品看太陽超過幾秒鐘。

  成像法(小孔成像法)

  如果沒有專業的太陽濾鏡或者濾膜怎麼辦呢? 另一個觀察太陽的方法是成像法。

  但注意,不可以裸眼觀察水面或鏡面給太陽成的鏡像(虛像)。用墨水或油反光是我國古人用過的方法。現在報紙和網絡上還有人推薦利用一盆加了墨的水來觀測日食,這也非常危險。儘管加了墨,水錶面對陽光的反射也高於安全劑量幾個數量級,一定不要直接用裸眼接收能形成鏡面反射的表面(水面、玻璃、金屬等)對太陽的反光。

  同樣,當然也不能用望遠鏡直接觀察太陽(不能用望遠鏡目鏡直接看太陽的虛像),或在相機取景框內觀察。

  這裏說的成像法是指:製造光路讓太陽能成一個實像,把實像投影在幕布(或地面牆面)上,再進行觀看——眼睛接收到的是幕布對實像漫反射的光線,這樣才是安全的。

  我們都知道小孔成像的原理,光線穿過小孔投射在幕布上形成與光源180度旋轉對稱的實像。小孔越小,成像邊界越清晰(可是像也越暗)。幕布四周越暗,光源越亮,對比度越強,效果越好。幕布離小孔越遠,成像越大。

  於是我們可以自己製作小孔暗箱,把太陽通過小孔所成的像投影在幕布上觀察日食。

小孔暗箱 | 圖片來源:timeanddte.com小孔暗箱 | 圖片來源:timeanddte.com

  製作小孔暗箱的步驟:先在一個長紙盒子的一側剪出一個洞口,平平地粘上錫箔紙,把洞口擋嚴實;再用筆尖或針扎個孔;在紙盒另一側的內側貼上白紙;在紙盒的下方挖個頭可以伸進去的洞,或者開個眼睛可以往裏面看的口子。記得永遠要背對着小孔觀察,不能直接通過小孔看太陽。暗箱越長,屏幕越暗,效果越好。

  簡化版的暗箱不需要從暗箱內側觀察,只需要哪怕一個手紙或廚房紙的捲筒就可以製作。在捲筒的一側平平地粘上錫箔紙再扎小孔,再用保鮮膜,或者半透明的蠟紙,把另一側粘成比較平整的接收屏幕就可以了,這樣就可以在半透明屏幕的外側看到太陽的像。

 各種簡易成像法觀察日食 | 圖片來源:timeanddate.com和其他 各種簡易成像法觀察日食 | 圖片來源:timeanddate.com和其他

  由於陽光通常很強,甚至不需要暗箱,隨便用一個有孔的東西對着地面進行小孔成像,就能夠看到太陽的形狀。爲了效果更好,我們可以固定放置一個有小孔的大遮光板,再用一個大平板垂直陽光方向做屏幕。如果小孔和屏幕距離夠遠,太陽的像可以比較大。

  甚至兩手手指互相垂直,在指縫中形成的方形小孔,也能小孔成像,近似得到日食時候太陽如彎月一般的形狀。同時使用多個孔,會得到很多個太陽的像。濃密的樹葉之間的不規則小孔,也可以對太陽小孔成像。

  小孔成像法是觀察日食非常好的一個方法,但它的缺點在於,小孔成像一般比較黯淡或者比較小(屏幕距離太遠成像就難清晰),所以用這個方法較難清晰地觀察太陽表面的黑子或金星水星凌日。

  趕快去製作你的創意帶孔紙板,爲觀察這次日食做好準備吧!

  成像法(透鏡成像法)

  另外一種成像法是用透鏡成像。如果你有一個單筒或雙筒望遠鏡,最簡單的操作是用它讓太陽直接投影在紙板屏幕上。

望遠鏡成像法 | 圖片來源: eclipse.aas.org,作者:Sky&Telescope望遠鏡成像法 | 圖片來源: eclipse.aas.org,作者:Sky&Telescope

  首先,把望遠鏡固定好,物鏡對着太陽方向;再用一個足夠大的紙板環繞望遠鏡遮光,營造一個大範圍較暗的背景,以便觀察太陽的像;在垂直陽光方向用一個白紙板做接收屏幕;調整屏幕的距離和角度直到成像令人滿意(原理會在文末介紹)。如果是雙筒望遠鏡可以選擇遮掉一側物鏡。

  這樣可以得到直徑比較大的太陽實像。所以這個方法不僅適合觀測日食,還可以用來觀察太陽上比較大的黑子,以及金星或水星凌日等現象。

 圖片來源:柏樹豐博士和Felix Bai 圖片來源:柏樹豐博士和Felix Bai

  使用透鏡成像觀察日食的時候,應該儘量背對着太陽觀察。再說一遍,我們絕對不能用望遠鏡直接看太陽或看日食,甚至不能讓皮膚或易燃物質靠近太陽下如此放置的望遠鏡目鏡。從右圖中可以看到,在望遠鏡的目鏡附近,聚光的強度有多顯著——清晨的陽光被望遠鏡聚焦後就把紙板烤糊了。如果那是你沒有痛覺的視網膜,又會如何?

  另外隨着地球自轉,陽光角度發生變化,需要調整望遠鏡的方向。日食的全過程往往持續幾個小時,不可一直用這個方法觀察,否則目鏡會過熱,導致脫離甚至碎裂。應該時不時地遮住兩側物鏡,讓目鏡有機會冷卻。

  可是,如果我沒有望遠鏡怎麼辦?利用基本的光學知識我們可以用普通的眼鏡鏡片自制太陽成像儀,比如查爾斯頓學院(College of Charleston)的Richardson教授就教了大家下面這些簡單的自制方法:

  1)只要一個老花鏡片 (凸透鏡) 就可以給太陽成像:
     比如,下圖中使用一個100度的老花鏡,焦距1米,可以太陽成像在大約1米遠處成像,像的直徑有1釐米寬,足夠讓我們看清日全食或日環食不同階段的太陽變化。

 用老花鏡成像 | 圖片來源:http://richardsont.people.cofc.edu/ 用老花鏡成像 | 圖片來源:http://richardsont.people.cofc.edu/

  一個125度的老花鏡,對太陽成像的距離約80釐米,成像直徑約8毫米。50度的老花鏡,成像距離有2米,成像直徑可以達到2釐米。

  用長的紙盒遮住周圍的太陽光,用白紙在盒子內側底部作屏幕,再用夾子調整透鏡距離尋找最清晰的成像位置,就可以了。成本也很低廉,是不是很簡單,想立即做一個用起來呢?

  2)仿造伽利略望遠鏡做一個太陽成像儀

  爲了達到更好的觀測效果,讓太陽的像直徑擴大,我們可以在凸透鏡之後再加一個凹透鏡,以發散被凸透鏡匯聚的光線,並讓太陽的像投影在遠處的屏幕上。

伽利略望遠鏡光學原理圖 | 圖片來源:維基百科伽利略望遠鏡光學原理圖 | 圖片來源:維基百科

  如上圖所示,伽利略望遠鏡是用長焦距凸透鏡L1做物鏡,短焦距凹透鏡L2做目鏡,物鏡右側的焦點FL1與目鏡右側的虛焦點FL2重疊。透鏡之間間距爲兩透鏡焦距絕對值之差。來自遙遠天體(箭頭y)的光是近乎平行的光,對物鏡來說物距接近無窮遠,所以成縮小倒立的實像(箭頭y‘)在物鏡與目鏡重疊的焦點O1附近。這個實像作爲目鏡的虛物,再次被翻轉成一個正立放大的虛像(箭頭y’‘)在遠處。一般我們用肉眼經過目鏡觀察,這個放大的虛像透過圖中的眼球成像在我們的視網膜上。

  可是這樣觀察太陽會嚴重損傷視網膜。於是我們用一個屏幕,在右端遠處接收穿過目鏡的光線,就能在屏幕上得到一個倒立的太陽的像。由於圖中兩條紅色虛線的張角固定,所以屏幕距離目鏡越遠,接收到的太陽的像的直徑就越大(但太遠容易模糊)。

自制透鏡成像系統 | 圖片來源:http://richardsont.people.cofc.edu/自制透鏡成像系統 | 圖片來源:http://richardsont.people.cofc.edu/

  如圖所示,透鏡間距爲凸透鏡焦距與凹透鏡焦距的差值,屏幕與凹透鏡的距離可以在20至40釐米之間調整,以得到3.8至7.6釐米直徑的太陽的像。而用厚的物體在不同的位置支撐成像儀的底板可以方便地調節所需要的角度,使得底板與日光方向平行,透鏡與日光方向垂直。即使來不及爲本次日食自制這類專業設備,你也可以用它觀察太陽黑子等。

  希望本文總結的各種日食觀測方法對你有用,特別是中國中部和東部的讀者,錯過這次日食要等到2030年了。

  希望大家轉發和收藏本文,避免危險和錯誤的日食觀測方式可能造成的傷害,盡情享受這次難得的日環食美景。

  如何利用夏至,春分,秋分等機會測量本地的緯度和經度?

  2020年6月21日適逢夏至。在這一天垂直地面立一個杆,並觀察它影子長度的變化,記錄影子最短的長度和發生的時間,即可測量本地的緯度和經度。

  北京時間是東經120度的時間,也就是說,在北京時間的正午十二點,太陽對東經120度來說不偏東也不偏西,那裏的影子在南北方向,並且長度最短。如果當地影子最短的時刻比北京時間十二點早30分鐘,那麼當地的經度就比東經120度更偏東半個時區(每個時區15度),所以當地經度是東經127.5度。如果當地正午(影子最短的時刻)比北京時間正午十二點晚1.6個小時(比如中國西北某地),當地就比東經120度偏西1.6個時區,經度是120減去1.6乘以15——東經96度。

  每逢夏至,陽光直射北回歸線(北緯23.5度)。在這一天測量桿子的高度和最短的影子長度,二者的比值是陽光與地面夾角的正切。比如說在北半球杆子1.20米高,影子0.30米長,陽光與地面夾角的正切是4.0,利用計算器或者量角器可以得出這個夾角是76 度。此時在北緯23.5度的陽光與地面的夾角是90度。90度與你測量的陽光與地面夾角的差值就是當地緯度與北緯23.5度的差異。如果你正午的影子朝北,你所在的緯度是北緯23.5+(90-76)= 37.5度。如果你這天最短的影子朝南,那你在北回歸線的南面,你所在的緯度是北緯23.5-(90-76)= 9.5度。

  快去試試吧!同理還可在秋分,春分,等日測量經度和緯度。比如秋分日太陽直射赤道,所以那天當地影子最短時刻的陽光與地面的夾角與90度的差值就是當地的緯度。最後溫馨提示:如果晴天長時間呆在戶外請不要忘記戴帽子和擦防曬指數SPF不少於30的防曬霜,一小時補充一次,(防曬指數超過50的防曬霜也要每兩小時補充一次)。

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