10月14日，西半球将迎来一次日环食。由于月球在我们看来太小且太远，无法完全遮挡太阳盘。取而代之的是，它将遮挡住太阳的中心，边缘留下一个光环。观看天空中“火环”的最佳地点将是横跨俄勒冈州、德克萨斯州、中美洲、哥伦比亚，以及最终抵达巴西北部的路径。你或许会选择去新墨西哥州的阿尔伯克基，在那里你将体验到长达4分48秒的日环食。
如果你渴望一次真正的日全食，只需再等六个月。2024年4月8日，美国东部时间下午2:10（当地时间中午12:10），墨西哥的马萨特兰将成为北美第一个看到大部分太阳消失在阴影中的城市。随后，全食带将横跨达拉斯和印第安纳波利斯，进入加拿大的蒙特利尔、新不伦瑞克省和纽芬兰省。我们之所以能知道所有这些精确的细节——以及更多——都归功于我们对月球和太阳在任何给定时刻所处天空位置的了解。
事实上，我们可以预测并绘制出更遥远未来的日食图，甚至数百年后的。由于他们知道月球和太阳的精确位置以及它们随时间如何变化，科学家们可以将月球的阴影投射到地球上。借助尖端的计算机，可以精确到几英尺的范围内绘制日食路径。
日食需要三个要素。当月球从地球上的观察点遮挡住太阳光时，就会发生日食。因此，要预测日食，你必须知道太阳、月球和地球是如何相互运动的。这并不像看起来那么简单，因为太阳系并非扁平的。月球的轨道相对于太阳的路径（天文学家称之为黄道）倾斜约5度。虽然我们的卫星大约每月一次从地球和太阳之间经过——我们称之为新月——但两者很少会看似交叉。
只有当月球处于月球轨道与黄道相交的两个点之一，即节点时，才会发生日食。如果月球在新月时穿越了这个交点，就会发生日食。
在过去的几个世纪里，试图预测日食意味着预测微小而复杂的轨道细节。但随着天文学家对天体运动了解的增多，他们开始编制他们称之为星历表：预测月球、太阳和行星在天空中的位置。星历表至今仍是日食预测的关键。
[相关：制作经典针孔相机观看即将到来的日食]
“你只需要星历表数据……你不需要实际跟踪轨道，”NASA戈达德太空飞行中心太阳物理学家C. Alex Young说。
利用星历表数据，天文学家可以确定月球和太阳交叉的日期和时间。一旦知道了日期，绘制日食图就相对简单了。星历表允许科学家将月球的阴影投射到地球球体上；利用19世纪的数学，他们可以计算出阴影的两个特征——本影和半影——的形状和纬度。然后，通过知道当前时间以及地球在其自转中的角度，就可以确定经度。将这些信息结合起来，就得出了日食图。
过去，天文学家将星历表印在年鉴中，这些厚重的书卷里塞满了坐标表格。就像所有天文学都已进入计算机时代一样，星历表也随之发展。今天的科学家通过数学模型来预测月球、太阳、行星、其他卫星、小行星等的运行轨迹。NASA的喷气推进实验室（JPL）每隔几年会定期发布一本新的天体位置汇编。
NASA的喷气推进实验室（JPL）会定期每隔几年发布一本新的天体位置汇编。最新版本是2021年的DE440，它考虑了月球核心和地幔的晃动以及减缓其自转等细节。“总的来说，我们知道月球相对于地球的位置大约在1米，也许是几米，”JPL的工程师Ryan Park说。“我们通常知道太阳的位置大约在几百米，也许300米。”
[相关：日食期间如何安全观看而不伤眼睛]
星历表还有其他用途，尤其是在规划航天任务时。但很大程度上是由于更复杂的星历表数据，我们现在才能够可靠地预测未来几个世纪的月球运动。事实上，你可以在这里找到近一千年日食的详细地图。（如果你有幸在2563年4月23日身处西雅图，或在2974年9月7日身处阿姆斯特丹，请准备好迎接日全食日。）
但是，像大多数日食地图一样，这些地图显示的全食或环食路径是横跨地球表面的光滑直线。这并不是一个准确的表示。“这是为铅笔和纸张计算设计的，因此做了一些简化的假设，这些假设稍微有点错误，”为NASA戈达德绘制日食图的Ernie Wright说，“例如，月球是一个完美的球体。”
月球和地球的边缘都是崎岖不平的。地球的地形会阻挡部分阳光，而月球也有自己的山脉和山谷。事实上，穿过月球山谷的阳光会产生日食边缘常看到的贝利珠和“钻石环”。“现在我们从月球勘测轨道飞行器那里获得了这些山脉的详细地形信息，”Young说。
Wright帮助设计了一种新的地图制作方法，用现代计算机图形学取代了维多利亚时代的数学。他的方法将地球表面变成一个像素地图，每个像素都有不同的纬度、经度和海拔，太阳和月球在天空之上。然后，该方法计算哪些像素可以看到月球遮挡太阳的哪些部分。
“然后，你可以制作一系列地图，例如，在日食期间每秒一张，”Wright说。“你最终会得到一个帧序列，可以将其组合起来制作成阴影的电影。”这项新技术——只有借助现代计算机和超精确的星历表才可能实现——可能使我们能够制作出清晰显示你是否能从，比如说，你家看到日食的日食地图。
“我认为这将为未来提供一套全新的地图，它们将更加准确，”Young说。“这将是相当令人兴奋的。”
