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图14.10 使用ImageJ画出太阳光谱[1]
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最初当我看到这个光谱时，觉得我们的山寨仪器有误。太阳光谱在我的期待中应该是像一个圆润光滑的小山丘一样的曲线，怎么测量到的是这样沟壑起伏的样子呢？通过一些调查研究我才了解，就像荧光灯的光谱一样，太阳光谱曲线的每一个弯曲都在传达着大自然的一处奥秘。图14.11展示了研究人员测量到的太阳光谱从紫外到近红外（Near Infrared，波长在800nm～2.5μm）的强度分布。仔细观察可见光区域（图中标注有Visible 46%的那一部分波段），会发现它与我们测量的结果非常接近。总的趋势是，太阳光中最强的波长大约是在蓝绿交接处。在光谱的紫端和红端，光强都迅速衰减。最为引人注意的是在波长为600nm的黄光附近，我们看到了一个光强的突然凹陷（图14.11中黑色箭头指出的地方）！这个凹陷来自于著名的臭氧层对600nm左右波段的光的吸收（学术上称为Chappius Band）。臭氧层对紫外光的吸收是非常显著的，它默默地保护着地球上的生物免受紫外线的伤害。近年来，南北极的臭氧层空洞不断扩大也引起国际社会的高度关注，但是想不到在可见波段，它也在大展身手。一个臭氧分子（O3）吸收了黄光以后，会分裂成处于激发态的一个氧原子和一个氧气分子[3]。这些激发态的原子和分子通过与周围氧气分子的碰撞发生化学反应，有些又会形成新的臭氧。所以，通过观察光谱中这个凹陷的深浅，就能测试大气臭氧含量是否还正常。如果把我们的光谱仪带到北极去，在臭氧层空洞下采集太阳光谱，我们就应该看不到这个凹陷了。
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图14.11 太阳光谱全图。图片来源自网站http://www.skepticalscience.com/news.php?n=455&p=3
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我们的光谱仪测量到的有趣的东西实在是太多了，以至于我们到现在才开始讨论怎么从中去推测太阳的温度。如果你还记得的话，在“闲话基本原理”小节中我们提到了“维恩位移定律”，指出黑体辐射的光谱中强度最大的波长满足关系式：。所以如果我们能从光谱曲线中找出到这个λmax，则计算它的温度就轻而易举了。
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但是太阳是个黑体吗？根据定义，黑体应该是一种吸收所有外来电磁波，并放出相同能量电磁波的物体，即黑体与周围空间中的电磁波达到了热平衡状态。太阳本身是一个巨大的熔炉，它的内部通过核聚变产生大量的热能，不断向外输出。所以它并未与周围空间的电磁波达到热平衡状态。但是，太阳表面的光球层（我们看到的太阳光就是从这一层气体物质中发出的）可以近似地看成一个黑体。因为它吸收来自太阳内部核聚变产生的电磁波能量，然后释放到太空中去，这一层物质基本上温度维持稳定，与周围的环境达到了热平衡状态（见图14.12）。而我们观察到的光波恰好是从这一层物质释放出来的，所以可以用黑体辐射的公式来进行计算。
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图14.12 光球层可以近似地认为是一个黑体
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从图14.10的测量结果，我们定性地知道太阳光谱中强度最大的波长为蓝光和绿光交接处。为了得到更准确的定量结果，我们可以利用本节开始的方法，用已知的节能灯的光谱校准实测光谱的横轴波长值，如图14.13所示（注意要使用相同衍射级的光谱进行比较才有意义。图中太阳光谱和节能灯光谱都是采用的第二级，所以太阳光谱曲线显得噪声比较大，不如图14.10所示的第一级太阳光谱曲线那么清晰）。从图14.13中可以看出，太阳光谱中最强波长处于节能灯光谱的第三号峰处，所以太阳光中强度最大的波长是488nm，视觉上位于蓝绿交接处，或称为青色。把这个数值带入维恩位移定律的公式，可得太阳光球层的温度为：
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这个数值正是公认的太阳表面光球层的温度（不同文献给出的数值略有差别，但是总的来说光球层温度接近6000开尔文）。需要注意的是，光球层的温度远远低于太阳内部核聚变发生区域的温度，所以，更准确的说法是，我们通过光谱测量到的是太阳光球层的等效温度（Effective Temperature）。
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这是不是非常神奇呢？在150 000 000km以外，用一个破纸盒和一块便宜的光栅片，我们能测量到太阳的温度。这大概是把我国中医“望闻问切”4大诊法之“望诊”发扬到了极致的体现吧。
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图14.13 使用节能灯的光谱来校对太阳光谱的波长
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如果你还记得的话，我们在本章“基本原理”小节中提到，大师普朗克先生推导出了黑体辐射在所有波段的能量分布规律,它的表达式是：
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其中h是在第12章提到过的普朗克常数（h≈6.63×10-23J·s），C是真空中的光速，λ是光波的波长，kB是第3章提到过的波尔兹曼常数（kB≈1.38×10-23J/K），T是发出该光谱的黑体温度。这个看起来颇为复杂的公式的推导过程我们暂且略过，不熟悉它的朋友只需要了解它是对光波进行量子化以后，加上玻色－爱因斯坦统计得到的结果。如果计算这个公式的最大值所在的波长λmax，我们就会推导出维恩位移定律了。
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利用这个公式，我们可以拟合从紫外到红外的光谱全图。图14.14展示了这样一个结果（图片修改自维基百科“Sunlight”词条中的太阳光谱图）。注意到我们在地面上接受到的光谱与温度为5 523K的黑体光谱有一些差距，但是大致趋势是非常一致的。其中的差距来自于大气中各种物质对太阳光线的吸收。尤其在红外波段，图中标注有O2、H2O、CO2等的地方都是表示这些分子在强烈地吸收那些波长的光线。而在大气顶层测量到的太阳光谱则与根据黑体辐射公式计算得到的曲线非常一致。
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图14.14 黑体辐射曲线拟合太阳光谱全图。图片修改自维基百科“Sunlight”词条中的太阳光谱图
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有趣的是，地球上的人类经过亿万年的演化，发展出了一个极其高级的“CCD”——眼睛。我们的自然母亲是如此地伟大，她把这批“CCD”的敏感区域设置在了波长400～700nm，这正是太阳光谱中能量密度最高的那部分。更绝妙的是，在可见光波段，人眼最敏感的是绿光，这恰好是太阳黑体辐射光谱的顶峰！正因为我们的眼睛对400～700nm波段的电磁波敏感，于是我们称为可见光。倘若太阳没有现在这么热，而只有3000℃，那么经过亿万年的演化，也许我们眼睛能看到的“可见光”就会变成波长800～1400nm，而现在的红橙黄绿青蓝紫则统统被归类为“紫外”了吧！
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探索与发现