麻省理工学院干草堆的科学家准备了一系列仪器来观察日食的影响

4月8日，月亮的影子将横扫北美，在北美部分地区拖着一条短暂的正午黑暗的对角线带。那些碰巧在“整体路径”内的人将经历日全食——当太阳、月亮和地球对齐时，会有几分钟的诡异时间，以至于月亮完美地挡住了太阳。

上一次飞越美国大陆的日食发生在2017年8月，当时月亮的阴影从俄勒冈州扫到南卡罗来纳州。这一次，月球将更接近地球，并将追踪一条更宽的丝带，从墨西哥到德克萨斯州，一直到缅因州和加拿大东部。与2017年相比，阴影将穿过更多的人口稠密地区，并将完全阻挡超过3100万人的太阳。日食还将部分遮蔽更多地区，使该国大部分地区出现日偏食，具体取决于当地的天气。

当我们中的许多人准备好我们的日食级眼镜时，麻省理工学院干草堆天文台的科学家们正在准备一系列仪器来研究日食以及它将如何影响大气层的最顶层。特别是，它们将集中在电离层上 – 大气层的最外层，许多卫星都在其中运行。电离层从地球表面上方 50 到 400 英里延伸，并不断受到太阳的极端紫外线和 X 射线辐射的冲击。这种日常的太阳照射使大气中的气体分子电离，形成一个带电的电子和离子海洋，随着太阳能量的变化而变化。

正如他们在2017年所做的那样，Haystack研究人员将研究电离层在日食之前，期间和之后如何响应，因为太阳的辐射突然下降。在今年的活动中，科学家们将增加两项新技术，使他们首次有机会在地方、区域和国家范围内观察日食的影响。他们的观察结果将帮助科学家更好地了解大气层如何对太阳辐射的其他突然变化做出反应，例如太阳风暴和耀斑。

Haystack日食工作的两位主要成员是研究科学家Larisa Goncharenko，他使用来自多个观测来源的测量来研究电离层的物理学，以及开发观察近地空间现象的仪器的John Swoboda。在为日食做准备时，贡恰连科和斯沃博达休息了一下，与 麻省理工学院新闻聊了聊 他们将如何观看这一事件，以及他们希望从周一罕见的行星连珠中学到什么。

问： 这次日食有很多令人兴奋的事情。在我们深入探讨您将如何观察它之前，让我们退后一步谈谈我们目前所知道的：日全食如何影响大气层？

贡恰连科：我们知道很多。最大的影响之一是，当月球的阴影在大陆的一部分上移动时，电离层中的电子或等离子体密度显着降低。太阳是一个电离源，一旦这个源被移除，我们的电子密度就会降低。所以，我们在电离层上有一个洞，在月球的阴影后面移动。

在日食期间，太阳加热关闭，就像快速日落和日出一样，大气中有明显的冷却。所以，我们有这个低电离的寒冷区域，在纬度和经度上移动。由于温度的这种变化，风系统中也会受到干扰，从而影响电离层中的等离子体或电子的分布方式。这些都是大规模的变化。

从这个整体之后的寒冷区域，我们也有不同种类的波浪发出。就像一艘在水面上移动的船一样，你有从阴影中移动的船头冲击波。这些是电子密度的波。它们是小的扰动，但可以覆盖非常大的区域。我们在2017年的日食中看到了类似的波浪。但每次日食都是不同的。因此，我们将把这次日食作为一个独特的实验室实验。当日食在美国大陆上空移动时，我们将能够看到高层大气中电子密度、温度和风的变化。

问： 你将如何看待这一切？你将进行哪些实验来捕捉日食及其对大气的影响？

斯沃博达： 我们将使用两种新的雷达技术来测量大气层和电离层的局部变化。第一个是Zephyr，它是由[Haystack研究科学家]Ryan Volz开发的。Zephyr观察流星如何在我们的大气层中分解。地球大气层中总有少量沙子燃烧起来，当它们燃烧起来时，它们会留下一串等离子体，这些等离子体会跟随高层大气中的风向。Zephyr发出的信号从这些等离子体轨迹上反弹，因此我们可以看到它们是如何被在非常高的高度移动的风携带的。我们将使用Zephyr来观察日食期间高层大气中的这些风如何变化。

另一个雷达系统是EMVSIS（电磁矢量传感器电离层测深仪），它将测量电离层中带电粒子的电子或等离子体密度和体积速度。这两个系统都由分布式发射器和接收器阵列组成，它们以不同的频率发送和接收无线电波以进行测量。传统的电离层探测仪需要高功率发射器和数百英尺的大型塔架，并且可以覆盖一个足球场大小的区域。但是我们已经开发了一种功率更低、物理更小的系统，大约有冰箱那么大，我们正在新英格兰各地部署多个这样的系统，以进行本地和区域测量。

贡恰连科： 我们还将在[马萨诸塞州韦斯特福德]的Millstone Hill地球空间设施使用两个天线进行区域观测。一个天线是一个固定的垂直天线，直径为220英尺，我们可以用它来观察电离层中距离90到1000公里的巨大高度范围内的参数。另一个是直径为150英尺的可操纵天线，我们可以移动它来观察远至佛罗里达州，一直到美国中部的情况。我们计划使用两个天线来观察日食期间的变化。

我们还将处理来自美国近3000个GNSS （全球导航卫星系统） 接收机的全国网络的数据，并且我们正在整个区域的采样不足区域安装新的接收机。这些接收器将测量电离层的电子含量在日食之前、期间和之后的变化。

最令人兴奋的事情之一是，这是我们第一次将这四种技术协同工作。这些技术中的每一种都提供了独特的视角。作为一名科学家，我觉得自己就像个平安夜的小孩。您知道伟大的事情即将到来，并且您知道您将有新的东西可以玩，并且有新的数据可以分析。

问： 说到你会发现什么，你希望从你收集的测量结果中看到什么？

贡恰连科：我期待看到意想不到的事情。这将是我们第一次在同一地理区域同时结合四种截然不同的技术来看待近地空间。我们期望更高的灵敏度，从而转化为更好的时间和空间分辨率。结合这些诊断工具探测高层大气，将提供我们以前从未有过的同步观测 —— 四维风流、电子密度、离子温度、等离子体运动。我们将观察它们在日食期间的变化，并研究高层大气一个区域的变化如何以及为什么与空间和时间上其他区域的扰动有关。

斯沃博达：我们也在考虑更长远的问题。日食给我们的是一个机会来展示这些技术可以做什么，并说，如果我们能一直让这些技术继续下去会怎样？我们可以把它作为一种空间天气的雷达网络来运行，就像我们如何监测低层大气中的天气一样。我们需要监测空间天气，因为我们在近地空间环境中发生了很多事情，发射的卫星一直受到空间天气的影响。

贡恰连科：我们有很大的学习空间。日食只是亮点。但总的来说，这些系统可以产生更多的数据，以了解在其他扰动期间高层大气和电离层中发生的事情，例如风暴和闪电期，或日冕物质抛射和太阳耀斑。所有这些都是建立我们对近地空间的理解以满足现代技术社会需求的巨大努力的一部分。