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没想到（太阳是什么颜色？）

花白达人 2022-12-13 294

的回答已经很完整了，我这里就讲一些跟太阳颜色有关的趣事：

第一部分——太阳橙

每个人都有自己的感知系统，酸甜苦辣咸，红黄绿青篮。

人眼具有两种不同的感应器：视杆和视锥细胞。一般而言，视杆细胞更为敏感一些，但它们只能呈现黑白图像，视锥细胞次之，但却能呈现彩色视觉。当光级度不够强大到激发视锥细胞时，视觉就会以视杆细胞为主导，这也是为什么我们看月光总是白色的。但是当光度足够时，由于视锥细胞对与可见光波段的450nm~650nm的光（Eyes Response to Light）比较敏感，所以我们基本上得以窥见五彩缤纷的世界。

当然了，我无法感知你眼中的蓝是否与我见到的一样。不过，对大多数人来说，橙色的夕阳几乎是大家对美景的共识了：

图片来自sunset - 必应 images

在我的中二时代的记忆里，太阳似乎一直是橙色或者白色的，偶尔也兼职一下黄色，直到高中的物理老师告诉我们，有一种现象叫做瑞利散射（Rayleigh scattering）。

瑞散是半径比光或者其他电磁辐射波长小很多的颗粒对入射光的散射，其中，散射的光强与入射光的波长4次方成反比：

图片摘自Rayleigh scattering

从上图中可以看出，因为蓝光的波长短，瑞利散射的强度和比例就高，因此被散射的蓝光充满颗整个天空，使得天空呈现蓝色。如果在正午的话，我们更多的看到太阳的直射光而不是散射光，因此可能我们看到更多是接近阳光的本色——白色（红黄色光与蓝绿色光的混合）。如果是在日落时分，太阳在地平线附近，此时的阳光在大气中的光程相对较长：

（图片物体比例失调，请忽略）

大量的直射光中的蓝色光被散射掉了，留下不怎么蓝不怎么绿的橙红色。

第二部分——太阳黄

那么黄色，是怎么回事？

别急，慢慢来。太阳的核心温度可达到15000000K，但是我们无法看见那里的光芒，因为实际上太阳是不透明的。在内部发射的光子不到一厘米的区间就会被“重吸收”，因此里面的光子要离开到达表面至少需要4000年的时间（详细计算看NASA IMAGE satellite,Ask the Space Scientist Archive）。太阳的外层温度要更低，因为那里的密度更低，不发生聚变反应。随着距离往外增加，温度逐渐的降低，直到表面的温度（光球层大约5000K左右）足够低到人眼能看到其对应的可见光区。

而这就是太阳的视在颜色或者说表观颜色（apparel color，color: Apparent Color of Objects）。

太阳的视在颜色由峰值波长决定，而峰值波长又是由其光球层温度决定的：

上图可以明显看出，我们的太阳光，它的黄色部分具有最高的峰值（功率密度），所以有时我们也会看到黄光，不过由于与其他可见光段的光强度差别不是特别大，所以太阳光是各种可见光的组合——白光。

但是，如果一颗非常非常热的恒星，你会看到它蓝色光波段（峰值波段）的强度明显高于其他波段，所以它的光芒看上去是蓝色的。而一颗相对较冷的恒星，它的波峰出现在红光波段，所以光芒是红色的。例如船底座伊塔星和参宿4：

图片摘自《How the universe works》

当然了，如果没有大气，没有散射，整个天空的背景就会非常黑暗，你看到的阳光就是其视在颜色，感受一下国际空间站上的日出：

第三部分——太阳的不同光景

然而，好奇的你要问了，这张熟悉的照片是从哪里来的捏：

图片来自SDO | Solar Dynamics Observatory

其实不用我说你们也知道，这肯定不是光学望远镜拍摄的，这张与来自太阳及日光层观测卫星（Solar and Heliospheric Observatory，SOHO - Solar and Heliospheric Observatory）上搭载的远紫外成像望远镜（Extreme ultraviolet Imaging Telescope，简称）拍摄的四张超清图中的其中一张非常相似：

图片摘自https://www.nasa.gov/mission_pages/soho/index.html

这四张图片分别对应不同波长的光：17.1nm、19.5nm、28.4nm和30.4nm。由于人眼能识别的波长大概在380nm到750nm之间，所以我们并不能真正辨出EIT照片里的光彩，因此我们实际上看到的给予的“假色”。EIT的样片通常是红色、蓝色、绿色和黄色的。

而之所以EIT使用这些波长，是因为它们对应于电离的铁和氦所发出的波长。这样做的目的是，表明EIT能捕捉到正常情况下因为被光球层可见光所模糊或者遮挡的日冕的详细信息。

当然，除了SOHO的捕捉外，还有来自太阳动力学观测卫星（Solar Dynamics Observatory，简称SDO）的照片：

图片摘自http://www.nasa.gov/mission_pages/sunearth/news/light-wavelengths.html#.VwB5ZvQSgzC

这些五彩缤纷的太阳照来自于SDO的大气成像组件（Atmospheric Imaging Assembly，简称AIA）。

该仪器可拍摄高时间与空间分辨率的完整太阳盘面的数个不同波长紫外线和极紫外线影像。仪器内有四个各自独立操作的望远镜，由史密松天体物理台设计。

摘自Solar Dynamics Observatory

下面对照片一个一个解释：

HMI Dopplergram绘制的是太阳表面光球层的速度，暗区代表朝向我们，亮区代表远离我们（Explanation of Dopplergrams）；

HMI Magnetogram绘制的是太阳表面的磁场图形，黑色表示磁感线远离地球，白色表示磁感线指向我们；

HMI Continuum提供的是光球层的可见光图像；

AIA 1700Å使用的是紫外连续谱，展示的是太阳的表层以及色球层的图像，代表温度在4500K；

AIA 4500Å使用时白光连续谱，展示的是太阳光球层温度为6000K的图像；

AIA 1600Å对应的波长对碳-4的，代表温度为10000K。拍摄的是上光球层与过渡区（在色球层和日冕之间）的混合图，从这块区域开始温度急剧升高；

AIA 304Å对应的波长为氦-2的，代表温度是50000K。这里的光来自色球层和过渡区，通常用红色表示；

AIA 171Å对应的波长为铁-9的，代表温度是60000K。这个波段对应宁静日冕和冕环的光，通常用金色表示；

AIA 193Å对应的波长为温度1000000K的铁-12和温度20000000K的铁-24.。前者代表日冕的微热区，后者代表太阳耀斑中的重热物质。这个波段的光颜色通常用棕色表示；

AIA 212Å对应的波长为温度2000000K的铁-14。表示的是日冕中更热、磁场更为活跃的区域。这个波段的光颜色通常用紫色表示；

AIA 335Å对应的波长为温度2500000K的铁-16。表示的同样是日冕中更热、磁场更为活跃的区域。只是用蓝色表示；

AIA 94Å对应的波长为温度6000000K的铁-18。表示的是太阳耀斑时日冕热区。这个波段的光颜色通常用绿色表示；

AIA 131Å对应的波长为温度超过10000000K的铁-23和铁-24。代表了太阳耀斑中的物质。这个波段的光颜色通常用青色表示。

如果再把波长段拓宽呢，如果使用红外望远镜观测呢：

通过不同对不同电磁波段敏感的望远镜，你能看到不一样的“颜色信息”的太阳。

第四部分——太空中的火焰

说到这里，放松一下，大家知道在太空中零重力下的火焰是什么样的吗？看过电影《地心引力》的大家应该都熟悉桑德拉布洛克被团状火焰追逐的场景，所以聪明的你肯定知道：

图片摘自https://www.youtube.com/watch?v=9zdD7lfB0Fs

右边那个就是零重力下的火焰燃烧情形，这个实验是在太空中一个密闭的含氧的容器中进行的，NASA专门还进行了Flame Extinguishment Experiment（FLEX）实验来研究微重力场的火焰“燃烧”机制。

这里借用非常喜欢的youtube的DNews频道（https://www.youtube.com/watch?v=9zdD7lfB0Fs）的简单解释：

在地球上，火焰燃烧后，就加热它周围的空气，使得某一块特定区域的空气密度降低。这块区域里的空气相对的向上流动，因为引力会把更冷、密度更大的空气向下拉，形成我们看到的形态。因为氧气和重力的存在，火焰在地球上得以维持上述的过程，消耗氧气——低密度空气上升——冷重空气下沉——继续消耗新鲜氧气：

在太空中，因为失重，火焰的形态是向四周扩散，相对随意：

图片摘自Why flames are yellow and blue + microgravity

同时密度更大的气体没法下沉，所以它就会呆在那里，使得我们看到团状的火焰。最后慢慢的，火焰就被自己产生的二氧化碳给呛死了。

至于为什么是蓝色的火焰？——说实话，这个真难到我了。

火焰的颜色受到愈多因素的影响，最重要的几个就是黑体辐射、谱带发射、谱线发射和谱线吸收。最常见的火焰，比如碳氢化合物的火焰，颜色的最重要决定因素是氧气的供应量和氧气—燃料的预混程度，后者直接决定了燃烧（Combustion）的速率、温度和反应路径，从而产生不同的色调。

在正常的重力环境下，本生灯（Bunsen burner）的燃耗火焰是黄色的，温度大概在1000摄氏度。这是因为碳分子的白炽现象（不是白痴）：

它是热辐射的一个特殊状况。理论上，一个完全黑暗的物体，经由施加能量，将会放射出电磁辐射，这被称为黑体辐射，它的光谱可以由普朗克定理得知。一个黑体可能辐射出的总功率，可以由斯特藩－玻尔兹曼定律计算出来。由维恩位移定律则可以得知它所发射电磁辐射的波长。如果这个波长，落在可见光光谱的范围内，就会出现白炽现象。

摘自Incandescence

因为非常精细的煤烟颗粒（Soot）所产生的白炽状态，火焰呈黄色。但是当氧气供应不断增加，具有黑体辐射的煤烟颗粒产生的就越来越少，因为一个更加完全的燃耗反应出现了，而这个反应有产生了足够的能量来激发并电离火焰中的气体分子，导致了蓝色的出现，看下图：

图片摘自Flame

一个预混良好完全燃烧的火焰，其中受到激发的分子基团，他们的发射光谱带都在565nm以下，这块区域就是属于可见光谱的蓝色和绿色区。

在微重力场中，前面也说了，自然对流干脆就消失了，火焰球状扩散，因此火焰的氧气供应和燃料的蒸发受控于更慢的步骤——分子扩散，所以有相对合理的猜测（NASA Quest > Space Team Online和http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20040053584.pdf）说是此时的温度分布更加的均匀，以至于完全燃烧发生导致煤烟粒子无法形成，因此呈现蓝色。

第五部分——周边昏暗

那么为什么有的火焰看上去，边缘要更亮而内部反而要更暗呢，像这样：