错过明天，再等十年！安全观测日环食全指南

momocv

6 月 21 日，难得一见的日环食就要上演，下次日环食经过中国要等十年之久，在相同的城市发生可能要百年后。那么，该怎么观测宝贵的日环食？不但不能用裸眼、望远镜、照相机、摄像机来直接观测，即便和佩戴太阳镜、黑胶片等物品也不行。道理何在？这里有一份专业的安全观测日环食指南，还教你如何制作简易装备，动起手来吧！
2020 年 6 月 21 日将会发生一次难得一见的日环食。整体食甚（月球对太阳遮挡最多的时刻）将发生在北京时间下午 2：40：04，此时太阳在中印边界的正上方，全国大部分地区都可看到日偏食。日食可观测区会一直向东移动，在此后的两小时内西藏、四川、贵州、湖南、江西、福建和台湾等地的一些城乡将依次迎来日环食景观。尽管各地的偏食景观可持续两三个小时，但环食只持续若干分钟并只在很小范围内可见。
但你知道吗，很多常见的日食观测方法其实是非常危险的。因观察日食而视觉受损多发生在儿童和青少年身上，本文旨在及时帮助大家做好准备，清晰又安全地观测 6 月 21 日即将发生的日食。文末附有彩蛋教大家在 6 月 21 日（夏至）的正午测量当地的维度和经度。
错过了这次日环食，还要等多久？



下图按时间顺序编号展示了未来十年的各次日食的可观测区域。


图片来源：timeandtime.com



6 月 21 日，在这个地图上（1）号深红色飘带区域的人，将有幸观察到日环食（不被云遮挡的话）。而在这条红色飘带南北两侧上千公里的范围内，则可以观察到不同程度的日偏食，如下图。


本次日环食观测区和不同程度日偏食观测区  |  图片来源：timeandtime.com





图片来源：timeandtime.com



之后到 2022 年 10 月 25 日，中国西部地区能再次看到日偏食（黄色区域标号 6）。北美洲未来的两次日食将出现在 2023 年 10 月 14 日（在北美洲西南部可以观测的日环食，红色飘带标号 8）和 2024 年 4 月 8 日（北美洲南部和东部可观测的日全食，红色飘带标号 9）。
中国东部和中部地区的同学，如果错过今年 6 月 21 日，则要等到 2030 年 6 月 1 日才能再看到一次日偏食。而日环食或日全食则平均要过几百年才会在同一个地方再次出现。你准备好迎接这次难得一见的日食了吗？
日食或许是人们在日常生活中就能遇到的最令人兴奋的天文现象之一，也是众多摄影爱好者最爱的题材之一。对日食的观察可以激发人们对科学的热情，帮助大家透彻地理解很多书本上的科学知识，从天体运行轨道的数学规律，到环境光照水平的辐射测定法和光度测定法的原理，不一而足。各种观测日食的方法可以让人们了解多种光学设备的原理和动手实践应用。在今后的文章里，笔者会更多地介绍与日食月食相关的科学，本文只讨论如何安全地观察日食（和其他关于太阳的天象）。
观察日食可能会造成哪些危害？



太阳给地球送来了温暖和光明，可她也是一个巨大的核反应堆，时刻辐射着整个电磁波谱上的各类电磁波。穿透大气层有效到达地面的太阳辐射范围，包括从波长 290 纳米的紫外线、可见光、红外线、微波，到波长几米的无线电波。
紫外线属于电离辐射，单个光子可以破坏分子内的化学键，因此可能破坏 DNA 从而引发皮肤癌变。紫外线曝露也会加剧眼球表面的老化，增加白内障发生概率。即使是太阳的可见光部分，也因为亮度过高，可以对我们的眼睛造成永久性的伤害。类似激光致瞎，观测日食导致的暂时和长久失明也时有发生。
更重要的是，虽然人类的视觉神经只能感知波长在 400 到 700 纳米左右的可见光，可是波长从 380 到 1400 纳米的可见光和红外线都能畅通地穿过我们的眼球组织到达视网膜。所以即使是那些代表着温暖，又不可见的红外线部分，也可以因为强度过高，对我们的视网膜造成局部的热损伤。我们的视网膜既感知不到红外线，又没有痛觉神经，所以如果发生了红外线热损伤，我们并不能及时察觉，因为不会马上感到不适。
我们不需要对强度不高的普通电磁辐射（无线电波、微波、红外线等无法电离原子或分子的电磁波）过多担心，但我们一定要小心来自太阳的紫外线辐射以及强可见光和强红外线，避免它们可能造成的永久性的伤害。这些伤害可能在比几秒还短的时间内发生，而且可能不易察觉，所以学会真正安全地观察日食非常重要。
观察日食的第一要素是永远不要直接裸眼看太阳。在日出日落的时候，地平线方向的太阳被极长距离的大气散射掉了绝大部分的光，这时你可以用肉眼去短时间观察一下红彤彤的夕阳，但专业意见也不会鼓励这种行为。除此之外，一定不可以直接用裸眼观察太阳。
即使发生日食，当百分之九十九以上的太阳面积都被挡住的时候，也不可以裸眼看太阳。同理，也不要用相机或手机直接对太阳进行拍摄，越是精细的感光系统（例如视锥感光细胞和相机的高敏感光器件）越容易在强光作用下被永久性破坏。
另外，月球表面有很多坑坑洼洼的环形山，发生日环食时，太阳很可能从月球带小坑的外延漏出耀眼的阳光，形成钻戒形状的奇观。这是摄影师的大爱，但直接观察它和拍摄它对眼睛和相机的损害都是巨大的。
安全观察日食通常有两类办法：
一类是过滤掉绝大部分的光，包括红外线和紫外线；一类是让太阳在屏幕上成像。
过滤法


正规的太阳观测过滤膜或观测镜表面上看起来跟黑灰色铝箔纸一样不透明，它们实际上能够过滤掉超过 99.999% 的可见光和紫外线，以及超过 99.99% 的红外线，也就是透射率不到万分之一或者十万分之一。它们的价钱也并不昂贵，在美国有些几美元就能买到。


太阳观测过滤膜 | 图片来源：（左上）作者；其余 Amazon.com，Thousand Oaks Optical 4"x4" Solar Filter Sheet for Telescopes， Binoculars and Cameras



判断滤膜效果的专业术语叫吸光度（optical density），比如吸光度为 5 的过滤膜意味着透射率为 10 的 5 次方分之一（十万分之一）。上图的滤膜吸光度在 4.5 到 5.5 之间，只能透射十万分之一的可见光和几万分之一的红外线，这类镀膜才可以被安全地用来观察或拍摄日食。另一个常见参数遮光号（shade number）是吸光度乘以 7/3 再加上 1。这项参数达到 12-16 的滤镜或滤膜才能用来安全观测日食。
而普通的墨镜透光率一般是 10% 到 25%， 请勿戴墨镜观察日食。即使戴五六层墨镜，可见光透过率降低到了几万分之一，也不一定能过滤红外线。
我们上小学的时候，学校让我们带一块涂了墨的玻璃（或者烟熏过的玻璃）去观察日食，这也只是聊胜于无的保护，并不安全，更不能长时间使用。而偏振滤光镜（比如多数 3D 电影眼镜）透光率是百分之五十，如果在同样方向叠加使用，无论加多少层都没有更好的遮光效果。
直到现在，很多介绍日食观察的文章作者都没有意识到这样做对读者的误导。特别是使用多层墨镜或烟熏玻璃等，让太阳看起来很黯淡，眼睛不觉得难受，就误以为安全。其实这会更加危险，因为暗光下瞳孔会放大，眼睛不觉得难受就更容易失去警惕而长时间观察，可是红外线能直达视网膜，而我们不能及时意识到红外线对视网膜的损伤。
再次强调，不要用肉眼和不安全设备观察太阳！以下为 NASA 日食观测网站原文：" 不安全的滤镜包括所有彩色胶卷、不含银的黑白胶卷、成像的照相底片（X 射线和快照）、烟熏玻璃、太阳镜（单副或多副）、摄影中性灰度滤镜和偏光镜 ，它们中的大多数会透射大量不可见红外辐射，引起视网膜热灼伤。"（出自：https：//eclipse.gsfc.nasa.gov/SEhelp/safety2.html ）
使用透光率低于几万分之一的过滤法，除了可以用来观察日食，还可以用来观察太阳表面的黑子，以及金星水星凌日等现象。
请一定不要将就着用以上各类缓解眼睛不适的遮光物品看太阳超过几秒钟。
成像法（小孔成像法）


如果没有专业的太阳滤镜或者滤膜怎么办呢？ 另一个观察太阳的方法是成像法。
但注意，不可以裸眼观察水面或镜面给太阳成的镜像（虚像）。用墨水或油反光是我国古人用过的方法。现在报纸和网络上还有人推荐利用一盆加了墨的水来观测日食，这也非常危险。尽管加了墨，水表面对阳光的反射也高于安全剂量几个数量级，一定不要直接用裸眼接收能形成镜面反射的表面（水面、玻璃、金属等）对太阳的反光。
同样，当然也不能用望远镜直接观察太阳（不能用望远镜目镜直接看太阳的虚像），或在相机取景框内观察。
这里说的成像法是指：制造光路让太阳能成一个实像，把实像投影在幕布（或地面墙面）上，再进行观看——眼睛接收到的是幕布对实像漫反射的光线，这样才是安全的。
我们都知道小孔成像的原理，光线穿过小孔投射在幕布上形成与光源 180 度旋转对称的实像。小孔越小，成像边界越清晰（可是像也越暗）。幕布四周越暗，光源越亮，对比度越强，效果越好。幕布离小孔越远，成像越大。
于是我们可以自己制作小孔暗箱，把太阳通过小孔所成的像投影在幕布上观察日食。
小孔暗箱 | 图片来源：timeanddte.com



制作小孔暗箱的步骤：先在一个长纸盒子的一侧剪出一个洞口，平平地粘上锡箔纸，把洞口挡严实；再用笔尖或针扎个孔；在纸盒另一侧的内侧贴上白纸；在纸盒的下方挖个头可以伸进去的洞，或者开个眼睛可以往里面看的口子。记得永远要背对着小孔观察，不能直接通过小孔看太阳。暗箱越长，屏幕越暗，效果越好。
简化版的暗箱不需要从暗箱内侧观察，只需要哪怕一个手纸或厨房纸的卷筒就可以制作。在卷筒的一侧平平地粘上锡箔纸再扎小孔，再用保鲜膜，或者半透明的蜡纸，把另一侧粘成比较平整的接收屏幕就可以了，这样就可以在半透明屏幕的外侧看到太阳的像。


各种简易成像法观察日食 | 图片来源：timeanddate.com 和其他


由于阳光通常很强，甚至不需要暗箱，随便用一个有孔的东西对着地面进行小孔成像，就能够看到太阳的形状。为了效果更好，我们可以固定放置一个有小孔的大遮光板，再用一个大平板垂直阳光方向做屏幕。如果小孔和屏幕距离够远，太阳的像可以比较大。
甚至两手手指互相垂直，在指缝中形成的方形小孔，也能小孔成像，近似得到日食时候太阳如弯月一般的形状。同时使用多个孔，会得到很多个太阳的像。浓密的树叶之间的不规则小孔，也可以对太阳小孔成像。
小孔成像法是观察日食非常好的一个方法，但它的缺点在于，小孔成像一般比较黯淡或者比较小（屏幕距离太远成像就难清晰），所以用这个方法较难清晰地观察太阳表面的黑子或金星水星凌日。
赶快去制作你的创意带孔纸板，为观察这次日食做好准备吧！
成像法（透镜成像法）



另外一种成像法是用透镜成像。如果你有一个单筒或双筒望远镜，最简单的操作是用它让太阳直接投影在纸板屏幕上。


望远镜成像法 | 图片来源： eclipse.aas.org，作者：Sky&Telescope



首先，把望远镜固定好，物镜对着太阳方向；再用一个足够大的纸板环绕望远镜遮光，营造一个大范围较暗的背景，以便观察太阳的像；在垂直阳光方向用一个白纸板做接收屏幕；调整屏幕的距离和角度直到成像令人满意（原理会在文末介绍）。如果是双筒望远镜可以选择遮掉一侧物镜。
这样可以得到直径比较大的太阳实像。所以这个方法不仅适合观测日食，还可以用来观察太阳上比较大的黑子，以及金星或水星凌日等现象。


图片来源：柏树丰博士和 Felix Bai



使用透镜成像观察日食的时候，应该尽量背对着太阳观察。再说一遍，我们绝对不能用望远镜直接看太阳或看日食，甚至不能让皮肤或易燃物质靠近太阳下如此放置的望远镜目镜。从右图中可以看到，在望远镜的目镜附近，聚光的强度有多显著——清晨的阳光被望远镜聚焦后就把纸板烤糊了。如果那是你没有痛觉的视网膜，又会如何？
另外随着地球自转，阳光角度发生变化，需要调整望远镜的方向。日食的全过程往往持续几个小时，不可一直用这个方法观察，否则目镜会过热，导致脱离甚至碎裂。应该时不时地遮住两侧物镜，让目镜有机会冷却。
可是，如果我没有望远镜怎么办？利用基本的光学知识我们可以用普通的眼镜镜片自制太阳成像仪，比如查尔斯顿学院（College of Charleston）的 Richardson 教授就教了大家下面这些简单的自制方法：
1）只要一个老花镜片 （凸透镜） 就可以给太阳成像：
比如，下图中使用一个 100 度的老花镜，焦距 1 米，可以太阳成像在大约 1 米远处成像，像的直径有 1 厘米宽，足够让我们看清日全食或日环食不同阶段的太阳变化。


用老花镜成像 | 图片来源：http://richardsont.people.cofc.edu/



一个 125 度的老花镜，对太阳成像的距离约 80 厘米，成像直径约 8 毫米。50 度的老花镜，成像距离有 2 米，成像直径可以达到 2 厘米。
用长的纸盒遮住周围的太阳光，用白纸在盒子内侧底部作屏幕，再用夹子调整透镜距离寻找最清晰的成像位置，就可以了。成本也很低廉，是不是很简单，想立即做一个用起来呢？
2）仿造伽利略望远镜做一个太阳成像仪
为了达到更好的观测效果，让太阳的像直径扩大，我们可以在凸透镜之后再加一个凹透镜，以发散被凸透镜汇聚的光线，并让太阳的像投影在远处的屏幕上。


伽利略望远镜光学原理图 | 图片来源：维基百科



如上图所示，伽利略望远镜是用长焦距凸透镜 L1 做物镜，短焦距凹透镜 L2 做目镜，物镜右侧的焦点 FL1 与目镜右侧的虚焦点 FL2 重叠。透镜之间间距为两透镜焦距绝对值之差。来自遥远天体（箭头 y）的光是近乎平行的光，对物镜来说物距接近无穷远，所以成缩小倒立的实像（箭头 y ‘）在物镜与目镜重叠的焦点 O1 附近。这个实像作为目镜的虚物，再次被翻转成一个正立放大的虚像（箭头 y ’‘）在远处。一般我们用肉眼经过目镜观察，这个放大的虚像透过图中的眼球成像在我们的视网膜上。
可是这样观察太阳会严重损伤视网膜。于是我们用一个屏幕，在右端远处接收穿过目镜的光线，就能在屏幕上得到一个倒立的太阳的像。由于图中两条红色虚线的张角固定，所以屏幕距离目镜越远，接收到的太阳的像的直径就越大（但太远容易模糊）。


自制透镜成像系统 | 图片来源：http://richardsont.people.cofc.edu/


如图所示，透镜间距为凸透镜焦距与凹透镜焦距的差值，屏幕与凹透镜的距离可以在 20 至 40 厘米之间调整，以得到 3.8 至 7.6 厘米直径的太阳的像。而用厚的物体在不同的位置支撑成像仪的底板可以方便地调节所需要的角度，使得底板与日光方向平行，透镜与日光方向垂直。即使来不及为本次日食自制这类专业设备，你也可以用它观察太阳黑子等。
希望本文总结的各种日食观测方法对你有用，特别是中国中部和东部的读者，错过这次日食要等到 2030 年了。
希望大家转发和收藏本文，避免危险和错误的日食观测方式可能造成的伤害，尽情享受这次难得的日环食美景。
如何利用夏至，春分，秋分等机会测量本地的纬度和经度？


2020 年 6 月 21 日适逢夏至。在这一天垂直地面立一个杆，并观察它影子长度的变化，记录影子最短的长度和发生的时间，即可测量本地的纬度和经度。
北京时间是东经 120 度的时间，也就是说，在北京时间的正午十二点，太阳对东经 120 度来说不偏东也不偏西，那里的影子在南北方向，并且长度最短。如果当地影子最短的时刻比北京时间十二点早 30 分钟，那么当地的经度就比东经 120 度更偏东半个时区（每个时区 15 度），所以当地经度是东经 127.5 度。如果当地正午（影子最短的时刻）比北京时间正午十二点晚 1.6 个小时（比如中国西北某地），当地就比东经 120 度偏西 1.6 个时区，经度是 120 减去 1.6 乘以 15 ——东经 96 度。
每逢夏至，阳光直射北回归线（北纬 23.5 度）。在这一天测量杆子的高度和最短的影子长度，二者的比值是阳光与地面夹角的正切。比如说在北半球杆子 1.20 米高，影子 0.30 米长，阳光与地面夹角的正切是 4.0，利用计算器或者量角器可以得出这个夹角是 76 度。此时在北纬 23.5 度的阳光与地面的夹角是 90 度。90 度与你测量的阳光与地面夹角的差值就是当地纬度与北纬 23.5 度的差异。如果你正午的影子朝北，你所在的纬度是北纬 23.5+（90-76）= 37.5 度。如果你这天最短的影子朝南，那你在北回归线的南面，你所在的纬度是北纬 23.5-（90-76）= 9.5 度。
快去试试吧！同理还可在秋分，春分，等日测量经度和纬度。比如秋分日太阳直射赤道，所以那天当地影子最短时刻的阳光与地面的夹角与 90 度的差值就是当地的纬度。最后温馨提示：如果晴天长时间呆在户外请不要忘记戴帽子和擦防晒指数 SPF 不少于 30 的防晒霜，一小时补充一次，（防晒指数超过 50 的防晒霜也要每两小时补充一次）。