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太陽,讓我好好看看你

http://finance.sina.com   2020年09月23日 19:51   北京新浪網

  來源:中科院地質地球所

  看太陽,一直是一門學問。

  《墨經》有載曰:“景,日之光反燭人,則景在日與人之間。”就是說,太陽光經過鏡子反射,照在人的身上,影子就反而跑到人和太陽之間了。這證明至少在戰國時期,我國就已經開始認識光。而到了今天,好奇的孩子不禁發問:那什麼是“光”呢,現代科學又是怎麼定義光的呢?只需要高中物理的水平,我們就能知道——光,就是電磁波。狹義上的“可見光”,則通常是指波長介於380nm—750nm的電磁波。

圖|可見光在電磁波中的位置圖|可見光在電磁波中的位置

  我們一般定義的可見光波段,是人眼可見的範圍。不同的動物,其眼睛可見的光波長範圍是不同的。光爲人類帶來了繽紛多彩的世界,吸引人類不斷探索這個世界。

  今天我們知道,光具備波粒二象性。但在歷史上,關於光到底是波還是粒子束,爭論持續了很長時間。這個爭論大體上起源於牛頓和胡克,牛頓是光學大師,發現了光的色散,他認爲光是粒子。胡克也是光學大師,他發明了顯微鏡,他則持光是波動的觀點,認爲光像水波一樣,在“以太”中波動傳播。這兩人時期近似,都在1660年前後。

  爭論持續了兩百多年,這期間,光的粒子學說和光的波動學說此消彼長,學說本身也有了很大的變革。直到鼎鼎大名的物理天才——愛因斯坦,於1905年前後提出“光的波粒二象性”,並給出了嚴謹的數學證明,爭論才結束。原來之前的所有人都是對的,所有人也都是錯的。

  宇宙中充滿了電磁波,攜帶了豐富的信息。這些超出可見光範圍的“光”,人眼是不能直接觀察的。所幸,人類善於動腦和動手,可以發明並使用各式各樣的工具。藉助不同頻率範圍的望遠鏡、相機、分光計、單色儀等等光學儀器,我們得以捕獲並分析這些光。而根據原子物理、天體物理、等離子體物理等學科的知識,我們得以解釋宇宙中光線的含義。

圖|一把尺子,對不同波長進行直觀展示。第一行顯示下方對應的波長能否穿透地球大氣層;不同的波長(第二行)對應不同的現實尺度(第三行),以及相應的頻率(第四行,可見光部分被用顏色標出來),和色溫(第五行)。圖|一把尺子,對不同波長進行直觀展示。第一行顯示下方對應的波長能否穿透地球大氣層;不同的波長(第二行)對應不同的現實尺度(第三行),以及相應的頻率(第四行,可見光部分被用顏色標出來),和色溫(第五行)。

  對光的分析方法很多,而這些方法,不約而同地瞄準了我們地球最常見也最重要的光源——太陽。太陽是一顆“普通的恆星”,在主序星的序列中,太陽只是一顆非常普通的成員,一顆“黃矮星”。但對於太陽系來說,太陽佔據了整個太陽系99.86%的質量,發出的光和熱孕育了地球上的一切生命。所以理所當然,我們希望用一切能夠想到的方法,去探索太陽的奧祕。

圖|太陽、木星和地球(左下角微不足道的小點)的對比圖|太陽、木星和地球(左下角微不足道的小點)的對比

  介於川老師還沒來得及實踐肉身登日的壯舉,我們對太陽的觀測主要還是遠程的間接觀測,例如地面的觀測站和近地空間中的衛星,以及少量的太陽軌道上的探測器。

圖|太陽的多種綜合觀測,從左上開始分別是:太陽多普勒圖像(顯示了太陽表面的移動)、磁場極性圖像、連續體圖像,以及1700埃一直到131埃波長電磁波(光)的成像。埃是波長的長度單位,指十分之一納米。圖|太陽的多種綜合觀測,從左上開始分別是:太陽多普勒圖像(顯示了太陽表面的移動)、磁場極性圖像、連續體圖像,以及1700埃一直到131埃波長電磁波(光)的成像。埃是波長的長度單位,指十分之一納米。

  這些圖片五彩斑斕,煞是好看,實際上是人類用光學手段,在不同波長,利用不同原理觀測到的太陽。雖然都基於光,但卻看到了太陽的不同性質。

  那麼接下來,我們就逐一來解說,當我們用不同的“眼睛”,去觀察太陽,會看到什麼。

  先拍一張全景

  這裏所說的全景,當然不是攝影中空間意義上的全景,而是光學意義上的全景。不用照相機,而是用光譜儀來觀察太陽,研究太陽在所有頻率電磁波上的輻射特性。

  這有什麼好看的?赤橙黃綠青藍紫,小學生都知道。牛頓用一套三棱鏡,在暗室裏將太陽光分開,成爲一道彩虹,又用高速轉動的彩色轉盤,成功還原出白色——科學,就是這麼簡單。

  要真是這麼簡單就好了!我今晚想做咖喱飯,出去挑土豆胡蘿蔔洋蔥。來到菜市場,我可以捏一捏,掂量掂量,瞭解一下是否新鮮。一些大方的店家,允許我們切開看看,甚至嘗一嘗。實在不放心,我們還可以拿去實驗室,用各種試劑,定量地測量出日常物品的組成、質量等物理參數,比如土豆的澱粉含量,胡蘿蔔的胡蘿蔔素等等等等。然而太陽那麼遙遠,現在手邊只有光譜的信息可供使用,我卻貪心地想了解太陽的組成成份、質量、溫度,這要怎麼辦呢?那就是使用好一個稱爲“吸收光譜”的工具。

  具體的物質,都有自己的吸收光譜。簡單來說,就是特定的原子、分子等粒子,會吸收特定能級的光子。表現在宏觀上,就會導致連續的光譜上出現近似線狀的缺失。只要讓溫度較高的發光體的光線,通過溫度較低的物質,就會出現這種現象。

發射光譜和吸收光譜的部分示意圖,並不準確。彩條中間夾黑線,就是吸收譜。發射譜則是反過來,一一對應。發射光譜和吸收光譜的部分示意圖,並不準確。彩條中間夾黑線,就是吸收譜。發射譜則是反過來,一一對應。

  沒錯,太陽也是一種“溫度較高的發光體”,太陽光在向我們照射來的路上,無疑經歷了很多的低溫物體。拋開稀薄的行星際等離子體,和我們熟悉的大氣層,太陽光經歷的“溫度較低的”物質,其實主要是太陽自身。

太陽圈層結構太陽圈層結構

  如果切開來看,太陽像個熟雞蛋一樣,分很多的圈層。其外圍部分,類比地球的大氣層,被我們稱爲“太陽大氣”,從外向內,依次包括了日冕、色球層和光球層。

  光球層在最下面,然而光球層的溫度卻最高,可見光波段發光最強,地球獲得的光和熱主要就來自於光球層。這一層的平均等效溫度爲5780K,到光球層與色球層的邊界則降至4000~4600K。

  色球層底部比光球層冷,但也比光球層厚的多,各項物理參數也複雜多變。

  如果作類比,光球層就是那“溫度較高的發光體”,色球層就是“溫度較低的物質”(當然,這並不嚴謹,光球層自己也可以吸收自己)。在光球層的照耀下,色球層的吸收譜線被我們觀察到。進一步地,我們就能通過查找這些譜線對應的物質,來了解太陽的成份。

太陽吸收光譜。這些黑色的吸收線,揭示了太陽大氣的成份。太陽吸收光譜。這些黑色的吸收線,揭示了太陽大氣的成份。

  當然,太陽的發射光譜也含有豐富的信息。太陽主要是熱發光,因此它的發光光譜十分接近於“黑體輻射”的光譜。理想的黑體輻射,其輻射光譜特徵僅與黑體溫度有關。我們可以通過發射光譜的形狀、峯值、展寬,來推測恆星的溫度,進而推算恆星的質量、大小等等參數。

地球上太陽光輻射的光譜。橫軸是波長,縱軸是輻射通量密度。黑色曲線正是5778K溫度下的黑體輻射理論譜線,這個溫度就是我們推測光球層平均溫度的依據。黃色部分,是地球大氣層外的太陽光譜,可以看出,非常好地擬合了黑體輻射譜線。而紅色部分是海平面附近的光譜,藍色字樣則是各種地球大氣成分的吸收峯位置,正好一一對應。地球上太陽光輻射的光譜。橫軸是波長,縱軸是輻射通量密度。黑色曲線正是5778K溫度下的黑體輻射理論譜線,這個溫度就是我們推測光球層平均溫度的依據。黃色部分,是地球大氣層外的太陽光譜,可以看出,非常好地擬合了黑體輻射譜線。而紅色部分是海平面附近的光譜,藍色字樣則是各種地球大氣成分的吸收峯位置,正好一一對應。

  此外,黑體輻射還是開啓量子力學的鑰匙。俗話說的好,量子力學量力學,實在是一門高深的物理,在這裏就不展開了。

  所以,藉助光譜——包括髮射光譜和吸收光譜,我們至少可以知道,太陽的大致成分,以及平均的大致溫度,甚至可以進一步推算質量。我們對自然界的探索,就是這樣從宏觀,到微觀,再到宏觀;從宇宙,到實驗室,再回到宇宙。

  不過,俗話說橫看成嶺側成峯,採用不同的視角,觀察不同的層面,我們才能更好地瞭解事物。對應到太陽的光學觀測,我們也應該加上“濾鏡”——

  再加上濾鏡

  我們已經知道,可見光雖然是陽光的主要成分,但並不是全部。對於我們人類來說,可見光範圍之外的光到底是什麼顏色?我們沒有直觀的感受。我們需要藉助成像設備,在不可見光下曝光,才能瞭解不可見光的強度。

  那是一個陽光明媚的下午,小明約着幾個朋友開開心心去公園滑板。他暗戀的張三剛好路過,爲了耍帥小明當場表演了一套高難度的P20再來一套Kickflip外加空中轉體720,落地時一不小心腳滑骨折了。對於來到醫院的小明,如果醫生想知道他的情況,不可能簡單通過觀察就能知道他那裏的骨頭折了,更不可能上完手術檯再去制定治療方案。

一張右腿的X光片。X光片其實就是黑白照片,而且是負片。只不過成像的光源變成了X光。一張右腿的X光片。X光片其實就是黑白照片,而且是負片。只不過成像的光源變成了X光。

  有過骨科經歷的朋友一定立刻就想到了X光。沒錯,X光正是不可見光的一種。X光片看起來是黑白的,是因爲X光顯影物質只呈現了X光投影的強弱。

  對於其他不可見光也是一樣,我們可以用多種不同的顯影物質或者CMOS、CCD,根據不可見光的強度製作成可以拍攝不同波長光線的相機。波長短的,有紫外相機,X光相機,γ射線相機;波長長的,有紅外相機,遠紅外相機;再往射電頻率進發,還能製作“射電天文望遠鏡”——沒錯,廣義來說,它們也是“相機”,只不過光學透鏡變成了反射面,CCD換成了接收天線。

不同波長拍攝的同一道日珥。其實這四張照片都是單色的“黑白照片”,是後期進行了染色,變成了“黑紅”、“黑黃”、“黑粉”和“黑綠”照片。不過這裏是正片。不同波長拍攝的同一道日珥。其實這四張照片都是單色的“黑白照片”,是後期進行了染色,變成了“黑紅”、“黑黃”、“黑粉”和“黑綠”照片。不過這裏是正片。

  手機裏常見的CMOS,大多具有三層濾光片:紅、綠、藍。三種顏色能通過濾光片,形成三層“黑白”的單色圖像。三層單色圖像疊加在一起,就成了一張“彩色”的照片。

  給太陽拍照,我們也要加濾鏡。這不是爲了美顏,而是爲了拍攝出獨特波長下的太陽。還是考慮黑體輻射的原理,發光體溫度越高,其發出的光線的主要波長就越低。因此如果我們拍攝不同波長的太陽,就能看出太陽更加細分的溫度結構。

同一輪太陽,不同的波長,可以看出,細節很不一樣。這些細節反映了太陽的精細結構,溫度分佈等。同一輪太陽,不同的波長,可以看出,細節很不一樣。這些細節反映了太陽的精細結構,溫度分佈等。

  使用這樣的鏡頭,我們可以直接越過厚實的色球層,看到光滑的光球層和上面的黑子;也可以聚焦於狂暴的日珥、日冕物質噴射(CME)。

  我們費盡心思,要層層揭開太陽的神祕面紗——這面紗可真夠厚的——不是僅僅出於好奇或者說是炫技,而是因爲,太陽作爲太陽系的主宰,任何一點輕微的活動,都會對整個太陽系,尤其是我們所居住的地球,造成重大的影響。

  所以我們當然,要向青草更青處漫溯,用更先進的手段,尋找太陽更多的風景,瞭解更多的祕密——

  最後,向青草更青處漫溯。

  我們前面已經講到了日冕物質拋射、太陽黑子、日珥等等狂暴的太陽活動。伴隨着這些活動,地球上總是能監測到地球磁場、地球電流體系等等的波動和變化。而磁場和電流體系的變化,對於人類的導航技術、通訊技術,尤其是依賴磁場導航、衛星導航和電離層通訊的各種無線電,都有很大的影響。嚴重時,甚至會使現代科技完全停擺。

1989年3月13日,加拿大魁北克大停電。上圖是當天凌晨,美國紐約州拍到的反常的前所未見的極光現象。當天的地磁Dst指數突破了500,通常高於100就已經是一次大磁暴了。目前認爲其根源就是一次強烈的太陽風暴。1989年3月13日,加拿大魁北克大停電。上圖是當天凌晨,美國紐約州拍到的反常的前所未見的極光現象。當天的地磁Dst指數突破了500,通常高於100就已經是一次大磁暴了。目前認爲其根源就是一次強烈的太陽風暴。

  太陽是一團熾熱的等離子體,一個大火球,內部涌動着狂暴的核聚變能量,當然不可能歲月靜好地安靜燃燒。

  在等離子體物理中,我們通常認爲,等離子體受到磁場約束,同時等離子體又被自身內部的熱能驅動,向外發散。在通常情況下,熱能形成的“熱壓”,和磁能形成的“磁壓”,相互拮抗,達到平衡。但在太陽這樣一個狂暴的地方,平衡隨時都會被打破,引發能量狂暴的釋放。目前流行的理論認爲,總是成對出現的太陽黑子,之所以“黑”,就是因爲熱壓相對周圍亮的區域更低——在這種情況下,磁壓佔據主導,從而形成狂暴的磁場,釋放磁能。

伽利略觀測太陽黑子的手繪。15世紀初,伽利略就觀測到了太陽黑子。現在公認的世界上第一次明確的黑子記錄是公元前28年我國漢朝人所觀測到的。在《漢書·五行志》裏是這樣記載的:“成帝河平元年三月乙未,日出黃,有黑氣,大如錢,居日中央”。伽利略觀測太陽黑子的手繪。15世紀初,伽利略就觀測到了太陽黑子。現在公認的世界上第一次明確的黑子記錄是公元前28年我國漢朝人所觀測到的。在《漢書·五行志》裏是這樣記載的:“成帝河平元年三月乙未,日出黃,有黑氣,大如錢,居日中央”。

  然而,細心的讀者就看出來了——既然川老師還沒有上過太陽,科學家是怎麼知道太陽磁場的呢?

  答案是——還是通過光學觀測。

  磁場與物質作用的方式是簡潔明瞭,而不可抗拒的。只要帶電的物質,都要受磁場的影響——包括原子核和其電子軌道。太陽的強磁場使得原子的每個能級,都發生分裂,一個變成兩個。能級分裂的程度,與磁場的強度有關,這被稱爲“塞曼效應”。

  表現在太陽的光譜上,就是光譜線的分裂。因此,只要我們觀測到太陽上某個區域出現光譜的塞曼效應,就可以反推這個區域磁場的強度。這種儀器,被稱爲“磁象儀”。

北京懷柔太陽觀測基地。這裏就部署了多臺不同用途的太陽磁象儀。北京懷柔太陽觀測基地。這裏就部署了多臺不同用途的太陽磁象儀。

  根據這些觀測,結合理論推算,我們現在已經可以對太陽的磁場進行建模——那真是一團亂麻。

NASA製作的太陽表面磁場的仿真動畫。NASA製作的太陽表面磁場的仿真動畫。

  除了磁場,近些年來,我們還發展出了觀測太陽振動的手段。原理依然很簡單——多普勒效應。我們知道逐漸遠離我們的發光體,光譜會發生紅移;逐漸接近我們的發光體,光譜會發生藍移。太陽表面的振動導致那一個區域相對於地球不斷髮生紅藍移,只是非常微弱,以前我們可能觀測不到。

太陽表面(光球層)的多普勒成像。太陽表面(光球層)的多普勒成像。
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