簡易觀察太陽的方法

資料來源
科學研習月刊57-09


文/曹嘉修
國立臺灣師範大學地球科學所碩士

 前言

太陽系中,幾乎一切的能量皆來自太陽光,所以太陽自古以來就是人們崇拜的對象,當然也就希望更進一步觀察並了解它。但耀眼的太陽卻不是我們能夠靠眼睛直視去親近的,這樣的動作不但無法好好觀察,還會造成眼睛永久性的傷害,因此再次提醒請勿直視太陽。一般非專業的天文愛好者通常沒有適當的設備直視太陽,所以得透過間接的方式來觀察,其中一種最簡單的方式,就是透過針孔成像原理,就能夠在不傷害眼睛的狀態下觀察太陽了。

 活動步驟

1. 準備兩張白紙、一張鋁箔紙
2. 在其中一張紙挖孔後貼上鋁箔紙,之後在於鋁箔紙上用針挖一個約1-2mm的小孔。(這麼做的目的是為了方便挖出夠小的針孔)
3. 將另一張白紙置於地上,手持有小孔的白紙離開地面面對太陽
4. 調整陽光透過小孔所形成的像,使能清楚呈現在地上的白紙(如圖1),即可觀察 

圖1. 觀察太陽的基本方法
注意事項:基本方法雖是透過針孔成像原理觀察,仍需特別注意不能連續觀察太久的時間。
 

 進階方法一


由於當兩張白紙皆放於陽光下時,紙面反射的陽光會增加觀察難度,因此可進一步簡單製作一個側面挖觀察洞且上方挖孔的紙箱,達到在箱子內相對較暗的環境,以利觀察針孔成向後的太陽影像(如圖2)。

圖2. 觀察太陽的進階方法一


 進階方法二

進階方法一利用觀察盒的方式會受控於盒子的大小,影響成像後的影像大小,所以想得到較大的影響,就必須要找到很大的紙箱來製作(例如:冷氣或洗衣機的箱子)。如果大的箱子不容易取得時,利用反射的原理,可能會是比較好的辦法來讓影像變大(如圖3)。

距離與影像的比大約為100:1,所以可以稍微以此規劃整個設備大小。而放置用於反射的平面鏡,應避免使用有一層玻璃的鏡子,這會影響成像的清晰度。

圖3. 觀察太陽的進階方法二


 可觀察的太陽特殊現象


由於簡易觀察無法看見較細微的特徵,也僅能看到肉眼所見的可見光波段,因此這樣的方法只適用於太陽的明顯外觀變化。對於太陽表面的日珥、日冕、米粒組織等皆無法觀察到,甚至是太陽黑子的變化,也非常不容易看到。儘管如此,還是有許多現象能夠觀察,只是這些現象發生在比較特殊的日子,如以下舉例:

1. 日食(Solar eclipse):

日食是一種天文現象,只在月球運行至太陽與地球之間時發生,即以月相而言,出現於農曆初一,稱為朔(新月)的時期才可能發生。但因為地球繞太陽公轉的黃道,與月球繞地球的白道並非重合,而是大約差了5∘左右,所以日食不會出現在農曆每個月初一。因為並非每個月皆能出現此一現象,再加上太陽的光線受月球遮擋所出現的陰影區域,每次僅出現於地球上特定區域,如圖4所示(2017年8月21日發生於美洲),導致能夠親眼看到此難得景觀非常不容易,因為這個特定區域很常發生於海面上或者是非常偏遠的地區。而2017年的日全食,因為橫跨美國而成為愛好者爭相前往的機會,也造就非常可觀的商機。

從圖4中可以看出日全食僅能在灰色軌跡中觀察到,其它區域則無法看到全食,故稱為日偏食。另有一個名詞稱為日環食,指當觀察者所見月球位置與太陽重合時,無法完全遮蔽太陽而形成一個光圈的現象。由此可知當月球的影子遮蔽到最大值時,可能會出現日全食或是日環食,但同地點同一次日食現象不會兩者同時出現,因為這取決於地球與月球的距離遠近。當月球位於近地點時,地球上的觀察者比較有機會觀察到較大的月亮去遮蔽太陽,故容易形成日全食;反之如果當月球位於遠地點時,則比較容易出現日環食,因為此時月球觀察起來較小,但整體而言日環食的現象更難能可貴(圖5)。

圖4. 2017年8月21日出現於美國的日全食天文景觀—黑點代表月球,黃點代表太陽,橘橫線上的圖示為能夠觀察到月球能遮蔽太陽的最大值,橘橫線本身則代表該景象出現區域以及從左上往右下隨時間演進的軌跡(圖片取自NASA)。


圖5.由左至右分別為日偏食、日全食及日環食的現象(圖片取自NASA)

2. 凌日(Transit)

為一種天文現象,指當有地內行星如金星或水星(地球為八大行星的第三顆行星),運行至地球與太陽之間時,從地球上觀察會發現有一個黑點從太陽通過,劃出一段直線軌跡並持續一個多小時,稱為凌日(如圖6、7)。若以此類推,太陽系中的其他行星,除了水星之外,都同樣能夠觀測到其內側行星的凌日。

圖6. 圖中黑點表示金星的位置--因為此時觀察者所見為金星暗面(背對太陽側),所以呈現黑色球狀。此為2004及2012年所發生的兩次金星凌日現象,白色間格及黃線分別代表觀察者的視角中,金星隨時間的相對位置並往右下角移動的軌跡。此現象難得一見,錯過2012年的機會,將得再等100多年才能再繼續在台灣觀察到(圖片取自NASA)


圖7. 水星凌日時的景象—其中黑點為水星位置,一樣的因為此時觀察者所見為水星的暗面,故呈現黑色球狀。黃線表示從地球上觀察,水星隨時間的移動方向。圖中水星相對於圖6中金星明顯較小,除了肇因於水星本身即為八大行星中最小一顆外,另外相對於金星,水星距離地球的距離更遠,因此看起來更小,所以更不容易觀察(圖片取自NASA)


表1. 未來各特殊天象時程(資料來源:取自Wiki)

此外,補充提及樹葉間的縫隙也能巧妙的形成針孔成像。所以在發生日食的時候,低頭看看樹蔭,不難發現會有如圖8的特殊畫面。

圖8. 發生日食時樹蔭下的特殊景象--圖中許多圓弧狀重複的影像,其實是當發生日偏食的時候,太陽光透過葉縫中的空隙,產生類似針孔成像的特殊景象(圖片取自NASA)