除了以上對日食天光做理論性研究外，劉次沅同時感到做一次多地點的實際觀測，觀測日出前後日食所造成的天光變化，將有利於加深對這條天象記錄的理解和研究。或許，實際觀測便是解決這一問題的前提條件和重要環節。那麼在什麼時間、什麼地點進行實際觀測呢？難道真的還會有“天再旦”的現象出現？帶著這些問題，劉次沅懷著試試看的心理開始利用計算機進行天文推算。或許是上蒼的恩賜，計算結果表明，在日出前發生的日食，20世紀內在東亞的大陸地區唯一的一次機會在1997年3月9日，日出前能夠看到全食的地區在中國新疆北部與哈薩克斯坦、蒙古及俄羅斯交界處。結果還表明，20世紀末之前的另外四次日食，其相應位置都在大洋中，陸地無法觀察。按照夏商周斷代工程原定要在1999年底完成的計劃，發生於1997年3月9日的日全食，就是天賜的最好也是僅有的一次機會了。機不可失，時不再來，劉次沅經過反複權衡，決定赴新疆進行布點觀測。
劉次沅與周曉陸（左一）在黃河沿線考察時留影
正當劉次沅即將啟程時，他的一位好朋友周曉陸出現了。周曉陸是西北大學文博學院教授兼西北大學曆史博物館館長，對曆史、考古、天文學頗有研究。前些年，他在完成了一部關於古代著名的天文星經的研究專著《〈步天歌〉研究》後，準備請當代中國天文學史界的泰鬥、時任中科院自然科學史所所長席澤宗院士指教並題寫序跋。席先生聞訊後，告訴周曉陸不必舍近求遠，陝西省就有一位天文學大家吳守賢先生，可請他出麵指教和撰寫序跋。當周曉陸找到時任中科院西安分院副院長的吳守賢後，因吳守賢正忙於一項課題的研究難於脫身，便向周曉陸推薦了自己的學生、天文學家劉次沅。於是，劉次沅和周曉陸漸漸成了朋友。當周曉陸得知劉次沅準備赴新疆做“天再旦”的實際觀測時，兩人便有了這樣一場對話：
周：這個機會實在難得，我隨你去。
劉：你跟我一塊兒去？
周：是。去了後我能幫你做一些事情。
劉：那個地方對我們來說山高水遠，去一趟相當辛苦。
周：相比較而言，我對那裏的情況比你熟悉，因為我有許多學生在那個地區工作，這對我們的行動會有所幫助。
劉：你說得很有道理，可這個專題的經費極其有限，很難承擔兩個人的差旅活動費。
周：那……
劉：要不這樣，你去，我在天文台留守，前後有個照應，或許對這項工作更有利。
周：也好。
兩人商定後，經過一番周密的策劃，周曉陸肩負著“天再旦”實際觀測的學術使命，於1997年3月1日趕赴新疆烏魯木齊，並通過各種渠道和新疆各地的科協、教委、中學、氣象台等單位聯係，請他們在預定的阿勒泰、富蘊、塔城、克拉瑪依、博樂、霍城、伊寧、石河子、奎屯、阿克蘇等北南一線近二十個地點，聯絡、組織群眾和天文愛好者進行實際觀測。與此同時，對觀測中需要著重注意的日食過程、日出過程、天象變化（晴天和陰天的不同變化）、視亮度及人體的感受等問題，周曉陸給予了特別的強調和指導。當這一切安排妥當後，周曉陸於3月7日自烏魯木齊親赴新疆北部的塔城市，與塔城地區教委教研室主任、地理學家徐精華彙合，共同商討、組織觀測的具體事宜。
根據劉次沅、周曉陸的推算，對考察“天再旦”現象，塔城的地理位置與日食表現，對於日出前10分鍾以上所發生日食食甚的條件，明顯區別於北鄰的阿勒泰地區，這裏正處於能否發生“天再旦”的臨界線上。故此，周曉陸才親赴塔城組織觀測。
在塔城地委和塔城市政府的協助下，“天再旦”天象觀測中心設在塔城最高的一座建築物——銀翔大廈——的頂端平台，這座建築物共十三層約四十五米高，而當地海拔高度約為五百米，其緯度遠遠高於北京、蘭州、西安、南京等城市。因沒有大工業汙染，天象觀測條件極盡人意。可以說，此次觀測活動占盡了天時、地利、人和各種條件。但是塔城的早春正是西風帶氣旋活動頻繁的時期，氣象條件極不穩定，這個現狀又不免讓周曉陸等觀測人員多了一份擔心。果然，到了3月8日，天氣突變，小雨夾雪籠罩了整個塔城，這使每一位觀測人員心中都蒙上了一層陰影。按天氣狀況分析，如果雨雪不停，第二天，也就是3月9日黎明的觀測效果將受到很大影響。就在大家為如此糟糕的天氣憂心忡忡時，一個意想不到的奇跡發生了。到了3月8日北京時間23時，雨雪突然停歇，天空漸漸由陰轉晴。到了3月9日淩晨4點，陰霾散盡，萬裏蒼穹露出了清晰的麵容。此刻，海爾—波普彗星正橫斜於東北天際，其離子尾與塵埃尾皆明晰可辨；獵戶座、仙女座、飛馬座、天鵝座恰似一盞盞耀眼的銀燈，橫掛在西南天際，火星的光亮燦爛奪目。已雲集於銀翔大廈頂端平台、由多民族組成的觀測人員，在格外明亮的北極星、北鬥星的映照之下，麵對無垠的蒼穹和璀璨的星光，久懸的心怦然落下，一時歡聲雷動。
塔城的代表性建築塞提喀瑪勒清真寺宣禮塔
據周曉陸的觀察記錄：從3月9日晨7點25分開始，東方天際露出了淡淡的青玉痕，到8點左右，陣風從對麵吹來，觀測人員普遍感到寒氣襲人。此時東邊天際開始發亮並吐出魚肚白。自8點10分始，觀測人員已經能在熹微的光亮中辨認彼此麵目了。在銀翔大廈觀測中心、塔城市二工鄉烈士陵園觀測點、塔城市一中操場觀測點等處的觀測人員，開始用照相機、攝像機拍攝不斷變化的天象。
塔城人民在觀察“天再旦”天象
8點10分之後，天空開始由晴轉少雲，東方的地平線處雲量增大，由暗紅色漸漸轉變成淡淡的鐵紅色，並從低處慢慢浸染到雲層頂端。此時，東風達到了4—5級，明亮的星星逐漸隱沒於晨曦之中。8點20分左右，曾耀眼奪目的海爾—波普彗星也隱去了，晨曦的光越來越明亮。8點30分左右，東方地平線之下，突然太陽的光線噴射而出，如同根根赤柱和條條紅色的絲縷布向天頂，大塊大塊的魚鱗狀、瓦片狀的雲層，由鮮紅轉為橘紅色。正當注視著東方地平線與天頂的人們感到眼前的朝霞似乎十分靦腆，遠未達到應有的熱烈與熾亮之時，天空又明顯地開始變暗了。
太陽躍出地平線
8點35分，黎明時的朝暉竟轉換成夕陽沉沒的晚霞，太陽射出的光線在漸漸收斂，剛才橘紅色的雲裙變成血紅色，接著又慢慢深染為鐵灰色。天頂淡淡的紅意也在逐漸消退，稍現白色的西邊天際也暗了下來。8點38分，已隱沒的海爾—波普彗星忽然再現於東北天際，並呈噴射狀以匕首般的光芒刺破天穹。彗星的高度呈40度左右，周圍許多亮星相伴而行。觀測者在寒風凜冽的清晨，麵對持續了兩分多鍾的彗星突刺，不免產生了一種惶惑、恐怖的感覺。
彗星光芒刺破天穹
從8點45分起，東方天際的雲霞又漸漸由紅轉黃，天頂由暗變亮，所有的星星都隱沒於朝暉之中。8點53分，太陽帶食躍出，在約60公裏之外的地平線上，映襯出起伏的山巒那優美的曲線。太陽的左下方，帶著明顯被掩的月影，恰似一彎紅亮的新月散發出金色的光芒，凹凸不平的山影輪廓在光照中若隱若現，宛如海麵上浮現的海市蜃樓。9點35分，殘缺的太陽已全部複圓，溫暖的陽光普照大地，整個塔城和周邊山野田疇在陽光的照耀中分外壯觀美麗。至此，“天再旦”的天象觀測圓滿結束。特別值得慶幸和回味的是，就在大家分別撤離觀測現場之後，塔城地區天氣再一次由晴轉陰，接著天幕合攏，下起了紛紛揚揚的鵝毛大雪，整個塔城浸染在白色蒼茫之中。