1701077600
我们还可以对这张光谱图进行更深入的分析。有一个免费的图像处理软件叫作ImageJ[2]，非常小巧而功能强大。它是由美国国家卫生研究院的科研人员们开发的，供生物科学家们分析图片之用。图14.7展示了如何用这个程序来作出一个光谱图（这是屏幕截图）。ImageJ画出的光谱的纵轴给出了画面上黄色长方形区域内每条竖直线上记录的光强度值的平均（准确地说是“灰度”，即Gray Value），这样经过平均以后，数据中的噪声就被去掉了（要注意的是，光谱图中的每一条谱线必须是沿着竖直方向）。其横轴是像素，在这里实际上对应于波长。但是要想确定这些波长的具体值，我们还需要把它与别人精确测量过的节能灯光谱进行比较。注意图14.7中选择了第二级光谱来作图是因为第二级散得比第一级开，这样光谱的分辨率就会高一些。
1701077601
1701077602
我们可以找到维基百科的“荧光灯”词条中的光谱，并与我们自己的光谱进行对比，见图14.8。其中蓝色曲线为维基百科提供的荧光灯（也叫节能灯、日光灯）的光谱，其纵轴为光强度，横轴为波长（单位是纳米）；红色曲线为我们自己的结果。你看，用我们这价值几块钱的山寨光谱仪测量的结果与高精度光谱仪的差不多嘛！维基百科的“荧光灯”词条给蓝色曲线上每一个峰都加了编号，并解释了它们的来历。比如2号峰，位于436nm处（红色曲线上的横坐标15处），实际上就是我们在图14.5中看到的每一级谱线最左边的那一根深蓝色光谱线，它来自节能灯里汞蒸汽的某一条原子光谱线。而比较肥胖的3号峰，是很多细小谱线无法分辨、重合在一起形成的，它来自节能灯管里一种辅助发光的稀土元素铽。在图14.5中它就是挨着深蓝色光谱线的那一根比较粗的淡蓝色谱线。4号和5号峰在蓝色曲线中可以被清晰地区分开，但是我们的光谱仪分辨率相对较差，两个峰融合在了一起。根据这两张谱线的对比，我们可以得知，从第2号峰到第12号峰，精密光谱给出它们之间的波长差是611—436=175nm；而我们测量的光谱给出它们之间的像素差是127—15=112，并且我们知道红色曲线的像素15对应于436nm，从而整个横轴的波长值我们都可以确定下来了。
1701077603
1701077604
1701077605
1701077606
1701077607
图14.7 使用ImageJ来作光谱图
1701077608
1701077609
这些形态各异，波长不一的光谱线实在是惹人喜爱，我盯着它们看一分钟都不带眨眼的。用我认识的一位光谱学老教授的话说，这一根根谱线，透露出了大自然母亲的奥秘。我们将在本章“探索与发现”小节中更认真地倾听这些谱线在向我们叙述的多彩故事。
1701077610
1701077611
1701077612
1701077613
1701077614
图14.8 维基百科荧光灯光谱数据（蓝色）与我们实测的光谱数据（红色）对比
1701077615
1701077616
熟悉了光谱仪和ImageJ的使用以后，我们就可以开始实践本章最开始的承诺——给太阳量体温！找一个大晴天，带上我们心爱的光谱仪和照相机，不顾别人异样的目光，拍摄如图14.9所示的太阳光谱（当然这也是经过剪裁和旋转以后的照片）。正如牛顿先生几个世纪前用三棱镜看到的那样，太阳发出的是连续光谱，各种颜色（波长）的光都有。
1701077617
1701077618
1701077619
1701077620
1701077621
图14.9 太阳光谱
1701077622
1701077623
同样利用ImageJ，我们可以画出太阳的光谱来，如图14.10所示。这里我选取的是第一级光谱，因为第二级相对较弱，噪声比较大，而且在第二级的尾部红色附近第三级光谱的蓝紫色也开始掺和进来，即两级光谱有重叠，从而一定程度地影响了准确性。
1701077624
1701077625
1701077626
1701077627
1701077628
图14.10 使用ImageJ画出太阳光谱[1]
1701077629
1701077630
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。
1701077631
1701077632
1701077633
1701077634
1701077635
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
1701077636
1701077637
1701077638
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。
1701077639
1701077640
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。
1701077641
1701077642
1701077643
1701077644
1701077645
图14.12 光球层可以近似地认为是一个黑体
1701077646
1701077647
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：
1701077648
1701077649
