太阳 ， 让我好好看看你
看太阳 ， 一直是一门学问 。
《墨经》有载曰：“景 ， 日之光反烛人 ， 则景在日与人之间 。 ”就是说 ， 太阳光经过镜子反射 ， 照在人的身上 ， 影子就反而跑到人和太阳之间了 。 这证明至少在战国时期 ， 我国就已经开始认识光 。 而到了今天 ， 好奇的孩子不禁发问：那什么是“光”呢 ， 现代科学又是怎么定义光的呢？只需要高中物理的水平 ， 我们就能知道——光 ， 就是电磁波 。 狭义上的“可见光” ， 则通常是指波长介于380nm—750nm的电磁波 。

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图｜可见光在电磁波中的位置
我们一般定义的可见光波段 ， 是人眼可见的范围 。 不同的动物 ， 其眼睛可见的光波长范围是不同的 。 光为人类带来了缤纷多彩的世界 ， 吸引人类不断探索这个世界 。
今天我们知道 ， 光具备波粒二象性 。 但在历史上 ， 关于光到底是波还是粒子束 ， 争论持续了很长时间 。 这个争论大体上起源于牛顿和胡克 ， 牛顿是光学大师 ， 发现了光的色散 ， 他认为光是粒子 。 胡克也是光学大师 ， 他发明了显微镜 ， 他则持光是波动的观点 ， 认为光像水波一样 ， 在“以太”中波动传播 。 这两人时期近似 ， 都在1660年前后 。
争论持续了两百多年 ， 这期间 ， 光的粒子学说和光的波动学说此消彼长 ， 学说本身也有了很大的变革 。 直到鼎鼎大名的物理天才——爱因斯坦 ， 于1905年前后提出“光的波粒二象性” ， 并给出了严谨的数学证明 ， 争论才结束 。 原来之前的所有人都是对的 ， 所有人也都是错的 。
宇宙中充满了电磁波 ， 携带了丰富的信息 。 这些超出可见光范围的“光” ， 人眼是不能直接观察的 。 所幸 ， 人类善于动脑和动手 ， 可以发明并使用各式各样的工具 。 借助不同频率范围的望远镜、相机、分光计、单色仪等等光学仪器 ， 我们得以捕获并分析这些光 。 而根据原子物理、天体物理、等离子体物理等学科的知识 ， 我们得以解释宇宙中光线的含义 。

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图｜一把尺子 ， 对不同波长进行直观展示 。 第一行显示下方对应的波长能否穿透地球大气层；不同的波长（第二行）对应不同的现实尺度（第三行） ， 以及相应的频率（第四行 ， 可见光部分被用颜色标出来） ， 和色温（第五行） 。
对光的分析方法很多 ， 而这些方法 ， 不约而同地瞄准了我们地球最常见也最重要的光源——太阳 。 太阳是一颗“普通的恒星” ， 在主序星的序列中 ， 太阳只是一颗非常普通的成员 ， 一颗“黄矮星” 。 但对于太阳系来说 ， 太阳占据了整个太阳系99.86%的质量 ， 发出的光和热孕育了地球上的一切生命 。 所以理所当然 ， 我们希望用一切能够想到的方法 ， 去探索太阳的奥秘 。

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图｜太阳、木星和地球（左下角微不足道的小点）的对比
介于川老师还没来得及实践肉身登日的壮举 ， 我们对太阳的观测主要还是远程的间接观测 ， 例如地面的观测站和近地空间中的卫星 ， 以及少量的太阳轨道上的探测器 。

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图｜太阳的多种综合观测 ， 从左上开始分别是：太阳多普勒图像（显示了太阳表面的移动）、磁场极性图像、连续体图像 ， 以及1700埃一直到131埃波长电磁波（光）的成像 。 埃是波长的长度单位 ， 指十分之一纳米 。分页标题#e#
这些图片五彩斑斓 ， 煞是好看 ， 实际上是人类用光学手段 ， 在不同波长 ， 利用不同原理观测到的太阳 。 虽然都基于光 ， 但却看到了太阳的不同性质 。
那么接下来 ， 我们就逐一来解说 ， 当我们用不同的“眼睛” ， 去观察太阳 ， 会看到什么 。
01
先拍一张全景
这里所说的全景 ， 当然不是摄影中空间意义上的全景 ， 而是光学意义上的全景 。 不用照相机 ， 而是用光谱仪来观察太阳 ， 研究太阳在所有频率电磁波上的辐射特性 。
这有什么好看的？赤橙黄绿青蓝紫 ， 小学生都知道 。 牛顿用一套三棱镜 ， 在暗室里将太阳光分开 ， 成为一道彩虹 ， 又用高速转动的彩色转盘 ， 成功还原出白色——科学 ， 就是这么简单 。
要真是这么简单就好了！我今晚想做咖喱饭 ， 出去挑土豆胡萝卜洋葱 。 来到菜市场 ， 我可以捏一捏 ， 掂量掂量 ， 了解一下是否新鲜 。 一些大方的店家 ， 允许我们切开看看 ， 甚至尝一尝 。 实在不放心 ， 我们还可以拿去实验室 ， 用各种试剂 ， 定量地测量出日常物品的组成、质量等物理参数 ， 比如土豆的淀粉含量 ， 胡萝卜的胡萝卜素等等等等 。 然而太阳那么遥远 ， 现在手边只有光谱的信息可供使用 ， 我却贪心地想了解太阳的组成成份、质量、温度 ， 这要怎么办呢？那就是使用好一个称为“吸收光谱”的工具 。
具体的物质 ， 都有自己的吸收光谱 。 简单来说 ， 就是特定的原子、分子等粒子 ， 会吸收特定能级的光子 。 表现在宏观上 ， 就会导致连续的光谱上出现近似线状的缺失 。 只要让温度较高的发光体的光线 ， 通过温度较低的物质 ， 就会出现这种现象 。

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发射光谱和吸收光谱的部分示意图 ， 并不准确 。 彩条中间夹黑线 ， 就是吸收谱 。 发射谱则是反过来 ， 一一对应 。
没错 ， 太阳也是一种“温度较高的发光体” ， 太阳光在向我们照射来的路上 ， 无疑经历了很多的低温物体 。 抛开稀薄的行星际等离子体 ， 和我们熟悉的大气层 ， 太阳光经历的“温度较低的”物质 ， 其实主要是太阳自身 。

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太阳圈层结构
如果切开来看 ， 太阳像个熟鸡蛋一样 ， 分很多的圈层 。 其外围部分 ， 类比地球的大气层 ， 被我们称为“太阳大气” ， 从外向内 ， 依次包括了日冕、色球层和光球层 。
光球层在最下面 ， 然而光球层的温度却最高 ， 可见光波段发光最强 ， 地球获得的光和热主要就来自于光球层 。 这一层的平均等效温度为5780K ， 到光球层与色球层的边界则降至4000~4600K 。
色球层底部比光球层冷 ， 但也比光球层厚的多 ， 各项物理参数也复杂多变 。
如果作类比 ， 光球层就是那“温度较高的发光体” ， 色球层就是“温度较低的物质”（当然 ， 这并不严谨 ， 光球层自己也可以吸收自己） 。 在光球层的照耀下 ， 色球层的吸收谱线被我们观察到 。 进一步地 ， 我们就能通过查找这些谱线对应的物质 ， 来了解太阳的成份 。

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太阳吸收光谱 。 这些黑色的吸收线 ， 揭示了太阳大气的成份 。
当然 ， 太阳的发射光谱也含有丰富的信息 。 太阳主要是热发光 ， 因此它的发光光谱十分接近于“黑体辐射”的光谱 。 理想的黑体辐射 ， 其辐射光谱特征仅与黑体温度有关 。 我们可以通过发射光谱的形状、峰值、展宽 ， 来推测恒星的温度 ， 进而推算恒星的质量、大小等等参数 。分页标题#e#

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地球上太阳光辐射的光谱 。 横轴是波长 ， 纵轴是辐射通量密度 。 黑色曲线正是5778K温度下的黑体辐射理论谱线 ， 这个温度就是我们推测光球层平均温度的依据 。 黄色部分 ， 是地球大气层外的太阳光谱 ， 可以看出 ， 非常好地拟合了黑体辐射谱线 。 而红色部分是海平面附近的光谱 ， 蓝色字样则是各种地球大气成分的吸收峰位置 ， 正好一一对应 。
此外 ， 黑体辐射还是开启量子力学的钥匙 。 俗话说的好 ， 量子力学量力学 ， 实在是一门高深的物理 ， 在这里就不展开了 。
所以 ， 借助光谱——包括发射光谱和吸收光谱 ， 我们至少可以知道 ， 太阳的大致成分 ， 以及平均的大致温度 ， 甚至可以进一步推算质量 。 我们对自然界的探索 ， 就是这样从宏观 ， 到微观 ， 再到宏观；从宇宙 ， 到实验室 ， 再回到宇宙 。
【太阳|如何看太阳，一直是一门学问】不过 ， 俗话说横看成岭侧成峰 ， 采用不同的视角 ， 观察不同的层面 ， 我们才能更好地了解事物 。 对应到太阳的光学观测 ， 我们也应该加上“滤镜”——
02
再加上滤镜
我们已经知道 ， 可见光虽然是阳光的主要成分 ， 但并不是全部 。 对于我们人类来说 ， 可见光范围之外的光到底是什么颜色？我们没有直观的感受 。 我们需要借助成像设备 ， 在不可见光下曝光 ， 才能了解不可见光的强度 。
那是一个阳光明媚的下午 ， 小明约着几个朋友开开心心去公园滑板 。 他暗恋的张三刚好路过 ， 为了耍帅小明当场表演了一套高难度的P20再来一套Kickflip外加空中转体720 ， 落地时一不小心脚滑骨折了 。 对于来到医院的小明 ， 如果医生想知道他的情况 ， 不可能简单通过观察就能知道他那里的骨头折了 ， 更不可能上完手术台再去制定治疗方案 。

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一张右腿的X光片 。 X光片其实就是黑白照片 ， 而且是负片 。 只不过成像的光源变成了X光 。
有过骨科经历的朋友一定立刻就想到了X光 。 没错 ， X光正是不可见光的一种 。 X光片看起来是黑白的 ， 是因为X光显影物质只呈现了X光投影的强弱 。
对于其他不可见光也是一样 ， 我们可以用多种不同的显影物质或者CMOS、CCD ， 根据不可见光的强度制作成可以拍摄不同波长光线的相机 。 波长短的 ， 有紫外相机 ， X光相机 ， γ射线相机；波长长的 ， 有红外相机 ， 远红外相机；再往射电频率进发 ， 还能制作“射电天文望远镜”——没错 ， 广义来说 ， 它们也是“相机” ， 只不过光学透镜变成了反射面 ， CCD换成了接收天线 。

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不同波长拍摄的同一道日珥 。 其实这四张照片都是单色的“黑白照片” ， 是后期进行了染色 ， 变成了“黑红”、“黑黄”、“黑粉”和“黑绿”照片 。 不过这里是正片 。
手机里常见的CMOS ， 大多具有三层滤光片：红、绿、蓝 。 三种颜色能通过滤光片 ， 形成三层“黑白”的单色图像 。 三层单色图像叠加在一起 ， 就成了一张“彩色”的照片 。
给太阳拍照 ， 我们也要加滤镜 。 这不是为了美颜 ， 而是为了拍摄出独特波长下的太阳 。 还是考虑黑体辐射的原理 ， 发光体温度越高 ， 其发出的光线的主要波长就越低 。 因此如果我们拍摄不同波长的太阳 ， 就能看出太阳更加细分的温度结构 。
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同一轮太阳 ， 不同的波长 ， 可以看出 ， 细节很不一样 。 这些细节反映了太阳的精细结构 ， 温度分布等 。
使用这样的镜头 ， 我们可以直接越过厚实的色球层 ， 看到光滑的光球层和上面的黑子；也可以聚焦于狂暴的日珥、日冕物质喷射（CME） 。
我们费尽心思 ， 要层层揭开太阳的神秘面纱——这面纱可真够厚的——不是仅仅出于好奇或者说是炫技 ， 而是因为 ， 太阳作为太阳系的主宰 ， 任何一点轻微的活动 ， 都会对整个太阳系 ， 尤其是我们所居住的地球 ， 造成重大的影响 。
所以我们当然 ， 要向青草更青处漫溯 ， 用更先进的手段 ， 寻找太阳更多的风景 ， 了解更多的秘密——
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最后 ， 向青草更青处漫溯 。
我们前面已经讲到了日冕物质抛射、太阳黑子、日珥等等狂暴的太阳活动 。 伴随着这些活动 ， 地球上总是能监测到地球磁场、地球电流体系等等的波动和变化 。 而磁场和电流体系的变化 ， 对于人类的导航技术、通讯技术 ， 尤其是依赖磁场导航、卫星导航和电离层通讯的各种无线电 ， 都有很大的影响 。 严重时 ， 甚至会使现代科技完全停摆 。

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1989年3月13日 ， 加拿大魁北克大停电 。 上图是当天凌晨 ， 美国纽约州拍到的反常的前所未见的极光现象 。 当天的地磁Dst指数突破了500 ， 通常高于100就已经是一次大磁暴了 。 目前认为其根源就是一次强烈的太阳风暴 。
太阳是一团炽热的等离子体 ， 一个大火球 ， 内部涌动着狂暴的核聚变能量 ， 当然不可能岁月静好地安静燃烧 。
在等离子体物理中 ， 我们通常认为 ， 等离子体受到磁场约束 ， 同时等离子体又被自身内部的热能驱动 ， 向外发散 。 在通常情况下 ， 热能形成的“热压” ， 和磁能形成的“磁压” ， 相互拮抗 ， 达到平衡 。 但在太阳这样一个狂暴的地方 ， 平衡随时都会被打破 ， 引发能量狂暴的释放 。 目前流行的理论认为 ， 总是成对出现的太阳黑子 ， 之所以“黑” ， 就是因为热压相对周围亮的区域更低——在这种情况下 ， 磁压占据主导 ， 从而形成狂暴的磁场 ， 释放磁能 。

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伽利略观测太阳黑子的手绘 。 15世纪初 ， 伽利略就观测到了太阳黑子 。 现在公认的世界上第一次明确的黑子记录是公元前28年我国汉朝人所观测到的 。 在《汉书·五行志》里是这样记载的：“成帝河平元年三月乙未 ， 日出黄 ， 有黑气 ， 大如钱 ， 居日中央” 。
然而 ， 细心的读者就看出来了——既然川老师还没有上过太阳 ， 科学家是怎么知道太阳磁场的呢？
答案是——还是通过光学观测 。
磁场与物质作用的方式是简洁明了 ， 而不可抗拒的 。 只要带电的物质 ， 都要受磁场的影响——包括原子核和其电子轨道 。 太阳的强磁场使得原子的每个能级 ， 都发生分裂 ， 一个变成两个 。 能级分裂的程度 ， 与磁场的强度有关 ， 这被称为“塞曼效应” 。
表现在太阳的光谱上 ， 就是光谱线的分裂 。 因此 ， 只要我们观测到太阳上某个区域出现光谱的塞曼效应 ， 就可以反推这个区域磁场的强度 。 这种仪器 ， 被称为“磁象仪” 。

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北京怀柔太阳观测基地 。 这里就部署了多台不同用途的太阳磁象仪 。
根据这些观测 ， 结合理论推算 ， 我们现在已经可以对太阳的磁场进行建模——那真是一团乱麻 。
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NASA制作的太阳表面磁场的仿真动画 。
除了磁场 ， 近些年来 ， 我们还发展出了观测太阳振动的手段 。 原理依然很简单——多普勒效应 。 我们知道逐渐远离我们的发光体 ， 光谱会发生红移；逐渐接近我们的发光体 ， 光谱会发生蓝移 。 太阳表面的振动导致那一个区域相对于地球不断发生红蓝移 ， 只是非常微弱 ， 以前我们可能观测不到 。

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太阳表面（光球层）的多普勒成像 。
人类对宇宙的认知是有限的 ， 但人的思想是无限的 ， 这种思想突破了人类的动物性本能 ， 成为了人区别于动物的关键所在 。 正如帕斯卡尔（Pascal ， 就是压强单位帕斯卡那个帕斯卡 ， 法国史学家、物理学家、哲学家、散文家）：
人既高贵又渺小 ， 人因思想而高贵 ， 高贵到知道自己渺小和高贵 。 人是自然界中最脆弱的东西 ， 所以他是一根芦苇 ， 但他因为会思考 ， 可以囊括宇宙 ， 可以通向无穷 ， 这就是人在宇宙中的全部尊严 。
——《人是一根会思考的芦苇》
我们的征途是星辰大海 。
美编：卢阳阳
校对：张崧

来源：(中科院地质地球所)

【】网址：/a/2020/0924/kd534368.html

标题：太阳|如何看太阳，一直是一门学问