日食期间的研究可以揭示阴影带

4月8日，卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University）物理学大四学生诺里斯·巴赫（Norris Bach）的日食大部分时间都被云层遮住了。但从他在德克萨斯州丘陵乡村的有利位置来看，他仍然感到兴奋。巴赫和一组研究人员在那里追逐一种被称为阴影带的现象。

“地面上的景色被一层浓密的云层遮住了，”巴赫说。“我们确实有几次透过云层短暂地看到了日食的高峰，整个黑暗确实是一个值得一看的景象。阴天的天气使我们看不到地面上的任何阴影带，但我们的气球产生了我们目前正在分析的大量数据。

这些在地面和浅色表面上看到的闪闪发光的摆动带，通常被认为是由月亮完全覆盖太阳前几分钟阳光的混沌折射引起的。主要假设是，当阳光穿过对流层行星边界层的湍流时，就会出现阴影带。该区域通常位于地球表面以上约 10,000 英尺处。

匹兹堡大学（University of Pittsburgh）物理学和天文学教授大卫·特恩谢克（David Turnshek）领导了一个研究2017年日全食的本科生团队，他发现这可能不是对阴影带的唯一解释。他的团队在2017年从80,000英尺的高空气球中获得的观测结果表明，对流层中的湍流层并没有引起阴影带;相反，它们主要起源于地球大气层上方。

Turnshek 想在 2024 年日食期间研究这种替代理论，因此他组建了 Pitt Shadow Bandits。巴赫和卡内基梅隆大学物理学教授杰弗里·彼得森（Jeffrey Peterson）帮助开发了该项目的仪器。

“多年来，我已经建造了各种各样的仪器来服务于特定的宇宙学问题，”彼得森说，他在南极和其他地方建造了新型射电望远镜。“科学是第一位的，如果我能想出天线的巧妙使用或电子设备的好技巧，我就可以与学生一起设计和测试它。

巴赫是彼得森实验室的成员，他加入该项目是为了帮助构建低噪声光传感器，这些传感器旨在检测光水平的细微变化，这些数据是由日食在德克萨斯州康坎开始之前发射的三个高空气球收集的数据，位于圣安东尼奥以西约80英里处。另外还发射了31个携带无线电探空仪的气球，可以表征湍流等大气特性。

“我与彼得森博士一起进行的研究主要集中在信号处理和大量动手硬件工作上，”巴赫说。“因此，如果我们在平流层中探测到阴影带，那么我们知道对流层下层的光折射不可能是它们的唯一原因。

巴赫、彼得森、特恩谢克和皮特影子强盗花了几个月的时间制造乐器并设置实验。在 2023 年 10 月 14 日的日环食期间——月亮没有完全覆盖太阳——该团队在康坎进行了一次试运行。

“我们发现我们的系统有很多可以改进的地方，我们也发现了光传感器的一些问题，”巴赫说。“我们做了很多修改。”

在四月的日食期间，云层阻碍了团队从地面收集数据的能力，但气球漂浮在战斗上方。彼得森说，他们希望在着陆后找到这三个气球及其有效载荷。

“这总是非常困难，”彼得森说。“你不知道他们会降落在哪里。

尽管气球飘到了200英里之外，但该团队还是在日食后的第二天设法恢复了传感器。研究人员尚未处理数据，但数据收集工作是成功的，他们所拥有的看起来很有希望。

“从平流层寻找阴影带是令人兴奋的，”彼得森说。“查看新数据就像打开礼物;你不知道会发生什么。

Turnshek说，合作对于实验的成功至关重要。

“Norris 和其他学生优化了我们光传感器的配置，这是项目中最重要的部分，”Turnshek 说。“Jeff 对我们的努力非常宝贵，因为我们在开发低噪声光传感器来研究阴影带时一直以他强大的技术背景为指导。”

尽管研究人员需要时间来分析数据并分享他们的发现，但他们表示，他们希望他们的结果将有助于显示阴影带是如何投射的。

“自 1800 年代以来，人们就知道阴影带，有报道称它们在近 1,000 年前就被观察到，但它们还没有被深入研究，”巴赫说。“能够确定它们背后的实际物理原理真的很令人兴奋。我们也许可以就此结束这本书。