太阳的能量

  人们通常认为太阳辐射只是可见光辐射的太阳能。其实，太阳提供能量的方式多种多样：包括各个波长的辐射、以及由离子和电子形成的“太阳风”。这些地球所接收到的不同形式的太阳能究竟是什么？它们如何产生？

  想到“太阳能”一般会想到光，即光子—全波长范围的电磁辐射的光的粒子，从伽马射线到可见光（参阅“黑体的热辐射”以及“天空的颜色”）。在相对高度激发的物质中，特别是恒星中，原子和离子会产生能量水平的变化，由此释放出光子，并在星际空间中循环往复。通常情况下，这种能量的流动以波长为0.4（紫色）至0.7（红色）微米(μm）之间的可见光显现，但是目之所及太过局限。我们其实应该这样谈论太阳能……

1. 光子沸腾源

  太阳表面光子逸出的圈层称为光球层，即“光子球层”，地球上肉眼可见（见图 1）。光球层是动态的表层，称作颗粒或超级颗粒的热物质的大气泡以不同周期从中涌现，这些气泡上下翻滚，有着不同的生命周期—颗粒平均为18分钟，超级颗粒可达20小时，气泡上下翻滚的整个周期为5分钟：在此期间，生成和消失的气泡数量相等。

  这些测量结果是日震学的最早期成果之一，日震学属天体物理学的一个分支，已经成为近年来最富成效的学科之一，专注于解释所有的“本征模式”（例如，5分钟周期就构成了太阳的一个“本征模式”）。

2. 各种各样的辐射

  哪些辐射从光球层逃逸？辐射需要历经数百万年得以从恒星释放，期间无数次被吸收又重新释放，光谱也会因为碰撞而显著拓宽（参阅“天空的颜色”）。辐射的波长或能量有所不同，能量与波长互成反比，波长越长，能量越低。在太空气象及其对地球的影响一文中，我们给出了能量和波长之间的对应关系。

  大部分太阳辐射处于可见光的波长范围。其中蓝-绿光最为强烈，对应太阳可见光波段的中心波长，接近0.5微米(μm）。但是由于所有颜色共存，彼此混合形成了我们常见得非常明亮的黄色，几乎不随时间改变：光谱中的这一可见光部分所包含的能量十年内的变化不到0.1%。

  不过这种变化并非微不足道：可能是地球上区域性气候现象的起因。1550到1750年小冰期的冬季极其酷寒，法国的主要河流大面积结冰，变成了马拉车车队的运输线。巴黎十三区有以冰川街命名的街道，就是为了纪念这一事件[1]（见“几个世纪以来太阳活动的变化和气候影响”）。

  太阳也会发出可见光以外的辐射。例如：微波频率上的波（长波无线电波），即收音机和电视使用的波段，由于能量很低，对人体皮肤的影响和电灯辐射差不多，不会干扰人类的日常生活。又如：人类需要防晒，否则会被晒黑（或灼伤），这是由于紫外线的作用（参阅“太阳光中的紫外线对细胞的影响”），因为紫外波长较短，光子的能量很高。太阳大部分辐射来自光球层外层，即日冕层。

  紫外线只是能量辐射的一部分。太阳能够放射出能量更强的波：极远紫外线、X射线、伽马射线。无线电和紫外线波段释放的光子小于可见光波段，释放的能量仅占太阳辐射总能量的千万分之一（0.0000001%）多一点。图2展示出太阳辐射能在波长上的分布。

  可见光谱范围之外的辐射的主要特征在于其显著的周期性变化。起初，太阳辐射能很小，在之后大约5年半的时间里，辐射增强10倍，随后减弱回到初始状态。这一增强和衰弱的过程定义了一个“太阳周期”，也称施瓦布周期。此外还存在其他的太阳周期，时间跨度从几个小时到几百年。

  综合所有波段的能量，太阳辐射的总功率约为4×1026瓦（约2.6亿瓦每太阳表面平方米（W/ m2）；1W = 1J/s = 1N·m/s）。在云层之上，地球只接收到其中的很小部分—1.743×1017瓦（或 1361W/ m2）（参阅“地球的大气层和气体层”）。最后一个数字在过去称为太阳常数，尽管事实上它并不像以前人们认为的那样恒定不变。今天，我们称其为太阳总辐照度。

3. 太阳风之源

  我们肉眼可见的光球层辐射只是太阳辐射的一部分。更为重要的是：光球层上太阳物质释放而出，形成一种永久蒸发，形象地被称为“太阳风”。那么什么是“太阳风”呢？

  太阳内部的最外层，即“对流区”，处于不停沸腾之中。由于距离太阳中心太远，所受引力无法压实自身，密度也不足以引发核反应，因此十分不稳定。然而，对流区的组成物质是电离的，即不是由原子而是由离子（带电粒子）和电子组成。离子之间协同运动，而电子，流动、轻盈，能够到达各处以确保整体的电中性。这种物质状态是自然界中继气态、液态和固态的第四种状态，称为“等离子体”。等离子体与普通物质的区别在于前者对电磁场极为敏感，而且本身的运动也会产生电磁场（通过发电机效应（dynamo effect））。对流区的基层叫做差旋层，是对流区的等离子运动与更内部的区域相互摩擦的边界层，在此等离子体更为紧密，不受太阳内部辐射区的运动的影响。差旋层是太阳磁场的来源。

  大家都知道沸腾的水面上会喷溅出小水滴来，太阳表面也是如此。但是，由于太阳本身的自然属性，喷溅的原因与沸水的喷溅有所不同，最显著的区别在于激发出的磁场。此外，喷溅物质本身呈电离状态，能够非常稳定有效地承载磁场，以致磁场被形容为“冻结在粒子中”。人们由于研究兴趣的不同称其为“太阳风”或“星际磁场”。

  做出上述描述的观测者站在与太阳同步运动的角度。对于恒星外的观察者，粒子运动还需考虑太阳的自转（平均为27个地球日）。效果类似于花园灌溉水壶在旋转中喷出的水流：喷壶上的蚂蚁看到水呈直线喷出（放射状的），而园丁看到的水流则呈螺旋状。从地球看向太阳，星际磁场并不直接来自太阳内部，而来自其边缘，在太空环境中形成优雅的曲线。从地球上测得太阳风的平均速度为370千米/秒，浓度为每立方米500万个粒子，真是太空旷了！

  1995至2009年，欧洲航天局（ESA）制造的一颗名为“尤利西斯”的卫星绕太阳两极旋转。通过它在略大于日地距离的位置进行观测，发现了两种太阳风状态。在日球纬度南北纬20°之间，太阳风的平均速度较慢，为370千米每秒（km/s），而且变化很大；在不到10°的纬度跨度里速度增长很快，达到750km/s，此处太阳风速度很快，受阻很小；再往高纬，速度增加减缓，80°左右的纬度处速度约为800km/s。而5年半后，我们观察到太阳周围的“慢”、“快”两种状态的太阳风紧密交织。“慢”的太阳状态为“平静期”，“快”为“活跃期”。经过10到13年恢复到初始状态，这一周期称作“太阳周期”，或前文提到的“施瓦布周期”。

  正如我们所见，太阳活动形式多样，其中一些在本文中没有提及（如太阳耀斑、日冕物质抛射、日冕洞、太阳黑子……），这些现象都展示了太阳向地球传递能量的过程。所有太阳活动均与太阳的磁场变化有关，这是直到21世纪初才被充分认识的事实。

  平均而言，太阳风致使太阳每天损失1014千克，仅比核心核反应辐射损失质量的四分之一略少。太阳总质量为2×1030千克，通过太阳风彻底消耗太阳需要超过5000亿个世纪，这个数字远远超过太阳50亿年的寿命。因此，太阳风所损失的质量对太阳而言完全可以忽略不计。

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参考资料及说明

[1] Lilensten,T. Dudok de Wit, K. Matthes, Earth’s climate response to a changing Sun, ISBN 978-2-7598-1849-5,DOI:10.1051/978-2-7598-1733-7,EDPS Ed.2015