京深兩地日食觀測引發的思考

葉喆 高曉燕

2020年6月21日，難得一遇的“金邊日食”引起了大家的關注。非天文愛好者沒有專業的觀測設備，采用各種方法觀察日食：有的在紙盒上打孔，做成簡易太陽眼鏡觀察;有的舉起家里的漏勺，利用小孔成像的原理觀察;還有的用望遠鏡套上太陽濾光鏡，采取凸透鏡成像的原理觀察。當然最真實的觀測記錄還要數鏡頭上安裝巴德膜，利用相機拍照記錄。

趣味發現

科學教師自然是不能錯過這千載難逢的饕餮盛宴。當我們把北京和深圳兩地的日食觀測記錄進行對比觀察的時候，有了一些有趣的發現。

首先，無論是北京還是深圳，看到的日食過程，都是太陽右下角開始初虧，到左上角復圓，而且在北京和深圳兩地看到的都是日偏食。

其次，食甚時北京看到的太陽被遮擋的面積小，深圳看到的太陽被遮擋的面積大。我們進一步發現：在北京看到的是月球從西向東偏太陽中心線以下斜著穿過，形成“斜下穿”的日偏食;在深圳看到的則是月球從西向東偏太陽中心線以上斜著穿過，形成“斜上穿”的日偏食（參見圖5）。

原因探尋

作為科學教師，在教學中經常會叮囑學生在科學探究中要細致地觀察、認真地比較，并在比較中找到相同點與不同點，進而研究產生這些現象的原因，這是學生通過科學學習而應具備的科學素養之一。那么，是什么原因造成在北京看到“斜下穿”而在深圳看到“斜上穿”呢？于是，我們在科學教師交流群里展開討論，做出如下解釋。

1.關于日食的成因

由于月球運行到地球和太陽中間，在地球上留下了月球的陰影，處在陰影區的人就會觀測到日食。本次日食是日環食，由“日環食成因”（如圖1）我們可知：處在半影區的人會觀測到日偏食，處在偽本影區的人會觀測到日環食。我們再來看“日食帶”，這張圖（如圖2）中間深色線的區域是偽本影區，也就是能夠觀測到“金邊日食”的區域，這是一個相對來說很狹窄的日環食帶;半影區則是一個相對比較寬的區域。北京、深圳分別在日環食帶的兩側，處在半影區域，所以兩地觀測到的是日偏食。

2.關于日食發生的遮擋過程和方向

從北京、深圳兩地日食的過程來看，總體趨勢都是月球先在西邊接近太陽，遮擋出陰影，造成初虧，再朝東邊離開，從而復圓。原因在于月球的公轉方向，正是由于月球自西向東繞地球公轉，所以各地日食帶的人看到的日食都是西邊初虧，東邊復圓。

3.關于觀測地點與日食帶的位置關系

如圖2所示，北京的地理位置離日環食帶較遠，而深圳的地理位置離日環食帶較近，所以深圳看到的日食遮擋面積比北京大，食甚時接近日環食。

這一點從2019年12月26日的北京日食觀測記錄也能得到佐證（如圖3）。2019年在北京也是觀測到日偏食，被遮擋的陰影面積比2020年6月21日觀測的日食陰影面積要小很多。我們再來比較兩次的日食帶圖片，2019年北京距離偽本影區更遠一些（如圖4），所以被遮擋的陰影面積更小一些。

仔細觀察2020年6月21日深圳和北京兩地日偏食的過程，發現北京和深圳看到的日偏食的方位和陰影面積的差別很大。北京的日偏食是月球由西向東在太陽的小面積“斜下穿”掠過，而深圳的日偏食則月球由西向東在太陽的大面積“斜上穿”掠過。

為什么月球會“掃過”太陽不同的面積呢？這是北京和深圳的經緯度差異導致的：北京位于北半球的東八區，中心位置是東經116°20′、北緯39°56′，深圳是東經114°05′、北緯22°38′，兩地分屬日食偽本影區的南北兩側，都在半影區內，且深圳比北京更加靠近偽本影區。正是兩地方位的差異，導致了在兩地觀測的日食現象大大不同。

我們可以做一個同一時刻不同地區的日食的模擬實驗來進行驗證，選取紅色氣球模擬太陽，黃色塑料球模擬月球，如圖5所示：這是同一時刻的三個定格鏡頭，圖a是在模擬偽本影區的人，剛好在那一時刻看到日環食圖像;與此同時，圖b是模擬在深圳的人，位于偏南地理位置看到的日偏食圖像;而圖c則是模擬在北京的人，位于偏北位置同時看到的日偏食圖像。

我們通過模擬實驗可以看到，在偽本影區的人看到了日環食，即月球由西向東斜中穿過太陽;處在日食帶南側的人則看到日偏食，月球由西向東斜上穿過太陽;處在日食帶北側的人也看到日偏食，但看到的是月球由西向東斜下穿過太陽。這個實驗很好地模擬了實際現象，證實了地理方位相對于偽本影區的差異是導致不同地區的人看到的日食圖景大不相同的主要原因（發生日全食時，則主要參考觀測地方位與本影區的差異）。

在這次北京、深圳日食觀測的交流活動中，我們如實地記錄了觀測到的現象，并通過觀察、比較發現了北京、深圳兩地觀測現象的相同點與不同點。我們還通過資料查詢、分析的方法，在交流討論的過程中發現了產生這些現象的原因。但是由于宇宙天體的宏觀性，也有一些道理僅僅憑借空間想象很難建立正確的認知，還要借助模擬實驗，幫助建構空間結構模型，利用科學概念解釋事實。這次日食觀測使我們這些科學教師，能像科學家一樣采用科學研究的方法探索問題，是一次科學探究活動的實戰歷練。