地球大氣99%被重力緊緊抓握著,太陽大氣卻可向外伸展70萬公里

我們想讓你知道的是
我站在那裡看著日食,感覺很驚奇,我跟隨著一長串天文學家的腳步,他們曾經做同樣的觀察。幾百年來,人類可以看見太陽大氣的機會,只有在日全食的時候。
文:葛琳(Lucie Green)
從食既到生光[1]
二○○九年七月二十二日,上午十一時二十六分四十秒,月球滑進對準的位置,恰好完全遮蓋了太陽。在這個時刻之前,每個人觀看太陽都是透過「日食眼鏡」,這類眼鏡是使用可以套在望遠鏡上的太陽濾鏡(比太陽眼鏡或甚至電銲面罩更暗)遮光。太陽實在很亮,即使月球遮住了太陽的一部分,直視太陽仍然可能對眼睛造成損傷。只有在月球完全遮住太陽的時候,直視太陽才安全。
於是,關鍵時刻已經來臨:我終於可以直接觀看,而不需要日食眼鏡了。我感覺周圍的氣溫明顯下降,因為沒有了太陽光直射的熱度。暗下來的天空變了顏色,呈現某種陌生的紫色調,四周的地平線上微微有光,看起來有點像日出的樣子(那些是位在月球陰影外的地球大氣所散射的陽光)。但我並不是很關心周遭的一切,只是仰望著太陽。就在那裡,圍繞著月球遮掩的太陽,有一團縹緲的光暈:太陽的大氣。
我覺得驚奇萬分,太陽的大氣層竟然延伸到那麼遠。相較之下,地球的大氣有九十九%被重力緊緊抓握著,留在距離地球表面五十五公里的高度以下,這段距離還不到地球半徑的一%。至於太陽的大氣,我們可以看到它發著光,向外伸展大約七十萬公里的距離,差不多等於太陽半徑。但是,太陽大氣實際的範圍,比你料想的更加寬廣,寬廣多了。
我看著太陽的大氣發出的光,比光球層暗淡了百萬倍,看起來像珍珠白色。在暫時變暗的天空,水星與金星突然現身。而且,就像愛丁頓,我也看見了為數不多的幾顆恆星。我站在那裡看著日食,感覺很驚奇,我跟隨著一長串天文學家的腳步,他們曾經做同樣的觀察。幾百年來,人類可以看見太陽大氣的機會,只有在日全食的時候。
但是,我能看見的那種虛無縹緲的光暈,只是太陽大氣的一部分,稱為「日冕」(corona,來自拉丁文的皇冠),因為它很像圍繞太陽的一頂冠冕。凝望著日冕,我完全明白它得名的理由:它看起來確實富麗堂皇。但是,我想看的另一層太陽大氣,並不像日冕那麼明顯,因為它仍然被月球遮住了一點。
哈雷觀察一七一五年日食的時候,曾經瞥見這一層。接近「生光」的時刻,隨著光球層開始重現,哈雷(使用六英尺長的望遠鏡)並沒有看到預期的明亮白光,反而瞧見一抹狹長新月形的深紅光芒,在月球邊緣映出弧形,驚鴻一瞥,不到幾秒鐘就消失了,光球層的光再次照亮白晝的天空。他剛才看見的究竟是什麼?
原來,哈雷看到的是太陽大氣的一層,這是光球層與日冕之間的跳板。它獨特的玫瑰色與光球層、日冕的白光形成明顯對比,因而得名「色球層」(chromosphere)。跨越光球層上方幾千公里,但只有在日全食過程中的「食既」與「生光」時刻,才可能以肉眼看見。月球夠大,足以遮蓋色球層,因此,要看到這部分,只有在月球不是完全對準的時候(但又要夠近,仍然可以擋住光球層的光)。
日食觀測顯示,色球層是一層不平整又有鋸齒狀的大氣。形狀很像刺蝟身上的尖刺,由許多垂直的長管構成,後來稱為「針狀體」(spicule),它們向上伸長約九千公里,這距離與地球的直徑相當,但相較於太陽的大小卻只是微小的一部分。熱電漿的噴流往上射出這些針狀體,針狀體存活不會超過十五分鐘左右,然後就會逐漸消失,有新的針狀體取而代之。然後還有色球層電漿的雲團,騰空而起,飛往高處,上升十五萬公里,進入上方的日冕,在「食既」時可以看見。維多利亞時代的日食觀測者形容這些是「紅山」,今天,我們稱之為「日珥」。
幸好,只需要「食既」或「生光」時刻色球層短暫的閃光,就能捕捉色球層光譜的影像。照例,了解太陽不同部分的電漿,乃是透過研究電漿發射的光譜。乍看之下,色球層與光球層的光譜有一些相似之處,例如兩者都看得到很暗淡的彩虹連續色,但有兩個重要的差異。
第一,色球層發出的光,色彩的光譜暗淡多了。整道彩虹都在那裡,但顏色變暗了。第二,在色球層的光譜裡,沒有任何暗的夫朗和斐譜線。在光球層有著暗譜線的地方,色球層卻很奇怪地有著超明亮的譜線!我們將來自色球層的光分開成光譜的時候,宇宙條碼就反轉了:本來暗的地方變亮,亮的地方反而變暗了。那麼,為什麼色球層會產生看起來如此不同的光譜?
我們知道暗淡的夫朗和斐譜線之所以出現,是因為從光球層出來的光必須通過光球層中的電漿,在途中有些光子被偷走了。光球層中的電漿與氣體會隨著高度而變涼,而在相對較涼的氣體中,有些原子與離子就能吸收光子。被吸收的只有剛好能量符合,能讓電子跳到更高能階的光子。而光子的能量與頻率成正比。這就給了我們那些清晰的吸收(暗)譜線,截斷了原先連續的彩虹。
不過,重要的是,這些原子與離子吸收光子的時候,那一份能量並沒有被摧毀或轉為其他形式。當被激發的電子從更高能的軌域落回下方,就可能再發射出相同頻率的光子。但被這顆釋放的光子有可能朝任何方向飛,不見得會往外、往我們這裡發射。所以,雖然大多數頻率可以不受阻礙地從光球層流出去,但能夠被色球層中的原子與離子吸收的那些頻率,要離開就困難多了。更何況它們還經常發射到反方向,甚至被送回到光球層,在那裡又被負氫離子吸收,於是整個過程就又得重新開始。
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(註1)SDGs永續發展目標(Sustainable Development Goals)是一項全球共識,旨在2030年前實現可持續發展的一系列目標。由聯合國提出訂定17項明確目標、涵蓋169項具體指標,目的是實踐地球上所有面向的永續發展,包含地球環境保護、社會公平正義、永續經濟發展。
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