日食的观赏与照相

第三节　日食的观赏与照相

一、日食原理

月球在绕地球运行的过程中，有时会走到太阳和地球的中间，月球的影子落在地球的表面上，在影子里的观测者就会看到太阳被月球遮蔽的现象，叫做日食。

图9.3.1　日食成因示意图

日食分日全食、日偏食与日环食三种。全食和环食的过程分初亏、食既、食甚、生光、复圆等5种食象，偏食只有初亏、食甚与复圆3种食象。观测蓝天中有亏象的太阳是很刺激而紧张的。

二、日食观测

日食是可以用肉眼进行观测的，当然，在太阳只有部分亏缺时，阳光依然会很刺眼，观测时必须考虑有效的减光对策，千万不要直接用肉眼去看太阳。可以采用以下几种简单的办法进行观测：

第一种办法是，找一个脸盆，里面盛满水，再放入些墨汁，日食的时候从脸盆里看太阳的倒影。这是一种最简单易行的方法。

第二种办法是，找块玻璃板，用煤油灯把它熏黑，日食的时候隔着这块熏黑了的玻璃板看太阳。

第三，找几张120的照相底片，把它们重叠起来，日食的时候隔着这些底片看太阳。这种方法可以根据太阳光的强弱随时增减底片张数，还可以装在自己制作的眼镜框上，使用起来很方便。

第四，用望远镜观测，但不要直接通过望远镜上看太阳，否则会灼伤眼睛。用望远镜观测太阳，要事先找几张照相底片，剪成合适的形状，装在物镜的前面。要注意装牢，防止移动望远镜的时候底片滑掉。比较妥当的办法还是使用投影板。投影板安装在目镜的一端，调整目镜焦距，使投影板上出现清晰的太阳像以使观测日食的全过程。

发生日食之前，对于日食的时刻、方位以及整个日食的过程，一般都有预报。我们要根据预报作好准备，除了准备好观测用具以外，还要准备一些日食观测纸。日食观测纸上有一个大圆，圆上逆时针方向标有0°～360°。记录的时候，大圆表示太阳的圆面，0°位置表示太阳的北点。为了了解日食的全过程，要从初亏到复圆的各个阶段，每隔一定时间画一张食象图。

对于日全食，从食既到生光只有三四分钟，有时不到一分钟，要在这段时间内描绘一两张或者三四张食象图。

初亏的时刻和方位是比较难测准的，在预定的时刻到来之前，就要密切注意着预报的方位。当出现初亏现象，就立即记下出现的时刻以及太阳圆面和月亮圆面相外切的切点方位。初亏以后，太阳圆面和月亮圆面相交于两点，每次观测时要记下观测时刻和两个交点的方位，并且及时把食象描绘在日食观测纸上。这项工作只要做得很仔细，就会获得一套日食全过程的食象图。

日全食的机会对于天文爱好者来说是十分难得的。因此，参加观测日全食的爱好者要组织起来，先学习一些必要的基本知识，进行适当的分工。每个人要熟悉所用仪器，掌握操作方法，学会做观测记录。最好预先排练几次，使实地观测日全食的短暂时间内不忙乱。能及时准确地记下日全食的种种现象。观测场地要预先选择好，保证自始至终都能看到日食。此外，还应注意以下几个问题。

1.观测月球影子

在日全食即将来临和刚要结束的短时间内，我们可以看到月球影子由西向东迅速移动。为了观测月影，要登上比较高的地方。事先选择几个大致东西向排列的、到观测点距离不同的远方目标，如大建筑物电线杆、高树、山坡等，并测量出它们到观测点的距离（也可以事后补测）。观测的任务是定出影子从远方目标到达观测点的时间。由于影子移动速度快，计时要用秒表或者数数的方法，由距离和时间，就可以计算出月影移动的速度。月影移动的速度大约1千米/秒。

2.观测贝利珠

月球表面有许多高山，所以月亮的边缘崎岖不平。在食既或生光到来的瞬间，太阳光通过月球边缘的山谷射出来，形成许多特别明亮的光线或光点，好像在太阳的周围镶嵌着一串珍珠似的，这就是著名的贝利珠（图9.3.2）。

图9.3.2　贝利珠

观测贝利珠现象并没有特殊的科学价值，但这是一种很有趣而美丽的现象。当发现月面边缘有贝利珠现象出现的时候，要记住它的方位、形状和珠的数量，并立即画下来。食既瞬间，贝利珠一般出现在太阳的东边缘，生光瞬间，贝利珠一般出现在太阳的西边缘。

3.观测日冕

日冕是太阳大气的最外层，分内冕和外冕。内冕只延伸到离太阳表面约1/ 3个太阳半径处，外冕可以延伸到几个太阳半径处。日冕的亮度小，大约相当于满月的亮度，平时根本看不到。只有在日全食的时候，太阳圆面被月球遮住了才能观测到日冕。日冕的形状同太阳活动有关。在太阳活动极大年，日冕接近圆形，而太阳宁静年比较扁。在一次日全食的过程中，日冕的形状基本上是不变的，因此完全有可能仔细观测，认真作图把日冕的形状真实地记录下来。

观测之前要做些准备工作。在白纸上画一个半径2～3厘米的圆，表示太阳光球的圆面。接着以这个圆半径的2倍、3倍、4倍为半径作同心圆，并以圆心为原点作直角坐标轴，把所有的同心圆分成四个象限，这样便于把日冕在各个方位的形状准确地描绘下来。图纸要订在便于携带的平板上。并且准备大红、橘红、玫瑰红、姜黄、蜡黄等几种颜色铅笔，以便把日冕的颜色记录下来。

观测的时候，在太阳圆面完全消失之前的十几秒钟，就要注意日面的西边缘，因为日冕往往在西边缘首先出现，一旦出现日冕，立即记下出现的时刻，并且把它的形状、大小和结构画下来。然后注意日面的东边缘，同样记下日冕在东边缘出现的时刻和形状。最好有两个人配合进行，一个人专门管记时，一个人管记录。

4.观测日珥

日珥是突出在太阳边缘外部的发光气流，它呈火红色。日珥的形状千变万化，有的像浮云，有的似喷泉，还有圆环、拱桥、火舌等形状。它的亮度比太阳圆面弱得多，平时不能直接看到。日全食时，可以看到在月球圆面周围有一圈窄窄的亮环，这是太阳色球层，还可以看到和色球层相连的火红色的日珥。

观测日全食的时候，要尽快数一下有几个日珥，并且把它们的位置、形状、大小和颜色记录下来。一般来说日珥是火红色的，但也发现过日珥有别的颜色，所以观测的时候对颜色也要仔细判别。

5.记录天空亮度

日全食时的天空亮度可以用肉眼能看到的最暗星等来表示。食甚前后，在天空中找寻肉眼能够看到的最暗的星，对照星图判断出这颗星的星等并记录下来。另外，也可以同当天日落后多少分钟的天空景色相比较。

6.观测气象等的变化

日全食的时候，天气会发生突然变化。在日食开始之前就要认真测定气温、气压、湿度、风向、风力等天气要素。从日食开始到日食结束要每隔5分钟测量一次这些天气要素，在日全食的过程中隔两分钟就要测量一次。

另外，在日全食到来的时候，要注意观测和记录家禽、家畜、飞鸟、走兽、昆虫等的异常状态，比如突然鸣叫、惊慌奔跑、回巢安息，等等。

日食时除了用肉眼和望远镜进行观测外，还可以用照相方法进行观测记录，这样可以获得更多的珍贵资料。例如对日食的全过程拍摄，利用望远镜或长焦距镜头将太阳影像放大，每隔一段时间拍摄一张以记录日食的全过程；或者全部曝光在一张底片上，拍出非常有趣的日食“糖葫芦串”；再如贝利珠、日珥、日冕的特写拍摄等，都是可以进行的。对业余爱好者来说，能拍摄到一次日食的照片，将是一个难忘的永久纪念。

三、拍摄日偏食

在相机的目镜前方加上太阳滤光镜后，接下来你所要做的事情便是合理地估计曝光时间（快门速度）和光圈数值了。

如果你的相机带有内置的测光计，那么借助于测光计这项工作并不困难。但实际上大部分的照相机并不带有内置测光计，这就需要你自己来做一个测试：在一个晴天准备好你的相机和其他观测设备（比如将望远镜的目镜和相机的镜头分别拆除，然后将望远镜目镜和相机机身对接，用望远镜的物镜来充当相机镜头），并装上你准备在拍摄日食时使用的相同感光度的胶卷。通过太阳滤光镜，小心地把太阳调整到视场中央。如果你使用的是长焦镜头，那么注意要把光圈调整到最大。用1/15、1/1000和1/2000的快门速度分别拍摄三张照片，比较三张照片冲洗后的效果，从而找到最佳的曝光时间，当然千万不要忘记同时记录下拍摄的光圈数值以及胶卷感光度。这组由你测试所得到的曝光参数便是拍摄日偏食时所使用的曝光组合了。需要注意的是，这组曝光组合是在晴天测试得到的。如果日偏食发生在天空有薄云的天气情况下，你要把曝光时间放长一些（1～2倍）。

四、拍摄日全食

太阳日冕的亮度随着半径的变化很大，内层日冕可以达到满月的亮度，而外层日冕的亮度相比之下可能要暗百倍。全食照相的最大难度在于把这些明暗相差巨大的部分同时拍摄好。一般来说，想通过一次曝光把这些明暗变化的细节全都拍好是不可能的。这种情况下没有所谓的“正确”的曝光时间。

表9.3.1中，我们给出了在拍摄日食不同的部分和现象时，所推荐的曝光时间和光圈、胶卷感光度的组合。

表9.3.1　日食曝光时间表

Copyright 1999 by Mark Littmann,Ken Willcox and Fred Espenak

需要注意的是，这张曝光时间表仅提供作为参考，因为日珥和日冕的亮度变化可以很大，实际的最佳曝光时间还是要根据不同的情况和经验作出相应的调整。对于那些没有在表中列出的感光度或光圈数，我们可以用下面的公式来计算曝光时间：

E=f²/（A×B）

公式中的E表示曝光时间（单位为秒），f表示焦比（望远镜焦距和口径之比），A是感光度，B为表9.3.2所定义的亮度值：

表9.3.2　日食亮度值

举例来说，如果你要在日全食的时候拍摄日珥，查上面的表知道B=100，你所使用的胶卷感光度为ISO400，光圈数是14，那么可以计算曝光时间如下：

E=14²/（400×100）

=196/40000

=0.0049秒≈1/204秒

当然，一般来说相机的曝光时间是没有1/201秒这一档的，于是你可以选择最接近的曝光时间档1/125秒或1/250秒。在实际拍摄的时候，要尽量多拍摄试验几次以掌握经验。

如果你的相机的曝光模式完全是自动的，或者更愿意好好欣赏日食而不愿陷入烦琐的曝光时间估计，你也能通过下面的方法来获得一个满意的拍摄结果：为你的相机装上ISO400的胶卷，在自动曝光模式下多拍几张照片，这些照片中必然存在曝光过度的失败品，但必然也存在一些能令你满意的成品。

五、配合其他景物的日食摄影

拍摄日食并不局限在太阳本身，如果你在日食前后拍摄几张天空、地平线以及地面景物的广角照片，有的时候你能够捕捉到月球快速移动的阴影正从西方慢慢逼近或向着东方逐渐远离。这个时候如果使用鱼眼镜头，同样会带给你很多的神奇效果。全食食甚前后拍摄太阳周围的亮行星也是一种不错的享受，你甚至有可能捕捉到一颗星的彗星。

如果你坐船在海上拍摄日食，船的晃动、强烈的海风以及周围人群在甲板上的走动会对焦距和曝光时间有一定的限制。这种情况下最好不要使用焦距长于1000毫米的镜头或望远镜。为了减少震动，最好选择感光速度快一些的胶卷，并缩短曝光时间。

六、多次曝光

日食的拍摄技巧中最引人注目的要数多次曝光了。利用多次曝光，你能够将日食的全过程拍摄在同一张照片上。多次曝光的实现要求你的相机具有能够在拍摄的同时保持底片不向前推进的功能，这样你就能够将不同时刻的画面拍摄在同一张照片上了。不少电子单反相机不带有这一功能，所以在购买相机的时候要多加注意。

为了得到好的拍摄效果，利用多次曝光技术的时候一定要保持三脚架的稳定，最好能够使用快门线来减小震动。为了在同一张底片上记录日全食的全过程，使日食的不同细节穿越底片的对角线获得日食糖葫芦串的效果，你需要知道相机镜头的视场大小。太阳一般一小时在天空中运动15°的距离（即每两分钟移动过一个相当于自身视直径的距离）。对于一个50毫米的镜头来说，底片对角线的长度差不多相当于49°的视场大小。于是你的拍摄时间大约要持续3个小时，而日全食的持续时间大概是两个半小时。拍摄的时候，首先旋转你的相机使太阳运动的轨迹和底片对角线的方向一致，然后你可以每隔5～10分钟拍摄一张照片，这样底片上每一个太阳像的间隔分布会比较均匀合理。如果你希望全食食甚前后的太阳像成在底片的中央，那么你最好仔细计算一下时间，使其他的太阳像能够等间隔地对称分布在中央像的两边。

表9.3.3　2008—2016年日食时间表