太阳的能量怎样到达地球

窗前的阳光从哪里来

阳光穿过高窗的格栅，在右侧的浅色长凳上留下一小块亮斑。窗的两旁各有长凳，大部分凳面和靠墙的地面较暗。窗前的地面上，阳光铺开一片明亮的区域，横竖交错的窗框影子落在其中，把亮处分成几块。

平常在窗边读书或休息时，我们也能见到这样的亮斑和窗影。窗框挡住一部分直射阳光，后方的地面便留下阴影；一部分阳光透过玻璃，继续穿过室内空气，落到窗前。

照进这间屋子以前，光已经从太阳表面出发，穿过约一亿五千万公里的太空，又经过地球大气，才来到窗口。眼前的地面离太阳如此遥远，却仍被阳光照亮。维持太阳持续发光的能量，主要来自太阳深处的核心。核反应释放的能量怎样穿过太阳，又怎样成为照到地面的阳光？

在太阳内部传递的能量

太阳深处，电子和离子密集地分布着，核反应把释放的能量交给周围物质和辐射。这些能量要穿过厚厚的物质，才能到达光球，补充那里不断向外散失的能量。

光在这里仍然传播得极快，却走不了多远。

一个光子向外传播，下一次散射就可能使它转向一旁，甚至折向内侧，有时也会与粒子交换能量。若被物质吸收，它携带的能量便交给物质，原来那个光子的传播也随之结束。物质又可以发射新的光子，能量继续在物质与辐射之间传递。

电子从辐射中得到能量后，又与周围粒子碰撞，把一部分能量传给它们。太阳深处，这样的碰撞和辐射交换非常频繁，物质与辐射的温度接近。核反应新释放的能量混入当地原有的热能中，物质随后发出的光包含哪些波长、各有多少，主要由当地温度等条件决定。

在一次次交换中，各种波长的光所占的比例也会改变。波长越短，单个光子的能量越高；波长越长，能量越低。物质吸收一个光子后，能量可以通过碰撞分给许多粒子，而随后发出的光子可以有不同的波长。太阳深处很热，光球较冷，各处发出的辐射不同。等到光从光球逸出时，各种波长的光所占的比例已经与核心刚释放能量时不同。

能量在辐射区内传递，方向反复改变，向外推进便慢了下来。研究人员用随机游走说明这种缓慢：设想每一步走得同样远，每次却随机选择方向，走过一百步，离起点的典型距离只有约十个步长。绝大多数步数被用来走到侧向或折回原处，走过的总路程便远大于最终向外推进的距离。这是许多次随机过程的统计结果，每次走过一百步，并不都会停在距起点十个步长的地方。

在太阳里，每一步能走多远，也不是处处相同。光在两次相互作用之间传播的平均距离，称为平均自由程。不同深度的物质密度和成分不同，光子受到吸收或散射的机会随之改变。在成分和辐射波长相近时，物质较密集的一处，同样一段路上有更多粒子，光容易在较短的距离内受到吸收或散射；物质较稀薄时，光通常能走得更远。

即使在同一位置，不同波长的光也未必能走同样远。原子、离子和电子容易吸收或散射某些波长的光，对另一些波长的光，吸收或散射的机会较少。研究者要根据这些条件计算各层的平均自由程，再估算能量经过大量交换、扩散到外层需要多久。1992年，米塔拉斯和西尔斯根据太阳模型逐层计算，得到约十七万年的估计。换用不同模型、计算范围或近似方法，结果也会改变。

十七万年描述的是模型中的能量扩散时间。沿途的吸收、发射和碰撞，已经让能量多次分配、混合，地面收到的一个光子无法与核心里的某次核反应一一对应。

辐射向各个方向传播，能量却总体向外传递，原因在于辐射区内侧比外侧热。比较邻近的两小片物质，较热的内侧向外传出较多辐射能量；较冷的外侧也向内发光，但传回的较少。两侧交换的能量相抵后，仍有能量从较热处传向较冷处。能量通过这样的辐射扩散，逐渐传到更外层。

到了太阳外层，物质吸收辐射的能力增强。如果只靠辐射把能量向外传出去，温度就需要在较短的距离内向外下降很多。在这样的温度变化下，较热的内层物质一旦上升，虽然膨胀、冷却，到达较高处时却仍可能比周围物质热。在同一高度、相近压强下，它的密度较低，因而能继续上升，把能量带向外层。

接近光球后，上升的物质向外辐射、冷却，变得较密，再下沉。辐射区外的这段传递主要依靠这样的对流。越接近表面，光越容易穿出，物质带来的能量便又主要随辐射离开太阳。光球持续发光，深处传来的能量也持续补充。

穿过光球上方较稀薄的物质后，大部分光能够继续向太空传播，但不同波长的光在这里仍会受到不同影响。太阳大气中的原子和离子容易吸收某些特定波长的光，较深处发出的这些光容易在途中被吸收，我们主要收到较高处发出的光；在邻近、不容易被吸收的波长上，我们能收到更深处发出的光。

光球较高处比深处冷，在那些容易被吸收的特定波长上发出的光较弱。把日光按波长展开成光谱，这些位置便比旁边暗，形成吸收线。

阳光到达地球附近

离开光球以后，光仍以极快的速度向外传播，周围却已稀薄得多。接下来的绝大部分路程中，很少有物质把光吸收，或使它转向，阳光便接近自由传播。光不需要空气作媒介，能够穿过太阳与地球之间近乎真空的空间。

真空中的光速约为每秒三十万公里。用平均日地距离除以光速，得到约五百秒，也就是八分二十秒。日地距离在一年中略有改变，这段时间也随之改变。太阳表面发生变化后，地球上的仪器要等八分多钟，才能收到变化后发出的光。我们此刻看见的太阳，是它约八分多钟以前的样子。

这八分多钟，从光离开太阳表面算起。核心产生的中微子很少与普通物质相互作用，大多直接穿出太阳，以极接近光速的速度到达地球。因此，现在收到的太阳中微子可以反映约八分多钟以前的核心反应；阳光却主要反映约八分多钟以前发光表面的状态，它携带的能量此前已经在太阳内部长期传递和混合。研究者用中微子了解核心的核反应，用日光测量表面向外放出了多少辐射。

阳光向四面八方散开，离太阳越远，同样多的辐射能量就分散到越大的范围。可以设想在太阳周围画出两个球面：外面的半径是里面的两倍，面积便是四倍。太阳每秒向外发出的能量先后穿过这两个球面，分到外面球面每平方米的功率，便只有里面的约四分之一。光仍继续向前，地球只能截住其中很小的一部分，其余辐射向其他方向传播。

到了地球附近，每平方米每秒能接到多少能量？研究人员把接收仪器送到大气外，直接测量尚未穿过地球空气的日光。2003年1月发射的“太阳辐射与气候实验”卫星SORCE，带着总辐照度监测仪TIM升入太空。那里没有云层和地球空气挡在太阳与接收口之间，阳光可以直接进入仪器。

TIM的接收口后方有锥形腔体，内壁能吸收几乎全部进入的日光。测量时，仪器先关闭快门，用电加热，让腔体保持一定温度。快门打开后，阳光照进来，被内壁吸收，仪器便减少电加热，仍让腔体保持原来的温度。开关快门前后，温度相同，腔体向周围散热的快慢也尽量相同。少用的那部分电加热功率，便可用来计算腔体吸收的日光功率。

研究人员通过电路测出电加热功率减少了多少，再用接收的太阳辐射功率除以入口面积，换算出每平方米接收的功率。可见光、红外线等都能把能量交给腔体，仪器测的是各个波段合起来的能量。

TIM的每个精密入口只有约半平方厘米，远小于一平方米。发射前，研究人员仔细测定小孔面积，计算每平方米接收的功率时，就要用这个面积作除数。腔体吸收光的比例也需要实测：内壁虽然吸收了几乎全部来光，仍有很小一部分被反射出去。用吸收的功率计算入射功率时，要补上未被吸收的那部分。小孔面积测得准不准、这部分功率有没有补足，都会影响最后的读数。

此前多台仪器在太阳活动较低时，测得的数值接近每平方米一千三百六十五瓦。TIM开始测量后，给出的结果却更低。研究者起初怀疑新仪器有误差。同一个太阳照着各台仪器，为什么接收的功率会算得不一样？

研究人员把检查转到地面实验室，用能代表几类在轨仪器设计的设备，逐一比较光怎样进入探测器。一些旧设计把限定测量面积的精密小孔放在仪器内部，小孔前方还有一个较大的开口。光穿过前方的大开口后，便已经进入仪器。超过精密小孔限定范围的光，有机会在内部散射到探测器，被一并计入读数。

测量原本只应计算通过规定入口的光。额外来光也被算入，就相当于把较大范围送来的能量，记在较小的接收面积上，换算到每平方米时，结果自然偏高。TIM把精密的小入口放在最前方，阳光先经过它，能进入仪器的光已经受到限制，因此较少受这类额外来光影响。

找到额外来光后，研究人员校正了它造成的偏高，其他仪器的结果便与TIM更加接近。后来，经过实验室校准的独立仪器也支持了较低的数值。2011年发表的研究估计，2008年太阳活动低谷时的总辐照度约为每平方米一千三百六十点八瓦。我们常用的约一千三百六十一瓦，就与这类更准确的测量相符。

在日地平均距离处，把一平方米的大气外接收面正对太阳，它每秒约能接到一千三百六十一焦耳能量，接收功率就是约一千三百六十一瓦。接收时间越长，累计能量越多。如果把接收面倾斜，同样一束光便铺到更大的面积上，每平方米分到的功率较少。因此，比较接收功率时，既要说明接收面离太阳多远，也要说明它是否正对太阳。

卫星收到的阳光还没有穿过地球大气。阳光继续向地面传播时，空气会吸收一部分辐射，把另一部分光散向其他方向；来到窗口，又有部分光被玻璃反射或吸收，透过的部分才能进入屋内。比较大气外与地面的日光，可以研究空气和云的影响；比较窗口外与屋内的受光，还要考虑玻璃的反射、吸收和透过。

阳光穿过大气以后，沿途仍可能遇到山坡、树木和房屋。一个地方能不能接到直射阳光，要看从那里朝太阳望去，有没有物体挡住光路。太阳离我们很远，在一间屋子这样小的范围内，直射阳光可以近似看成沿同一方向传播。窗框挡住其中一部分光，窗前地面便留下与窗框位置相对应的格状阴影；顺着光照来的方向看回去，就能找到遮光的窗框。

云影下的草地为什么仍然明亮

加拿大草原国家公园的这张照片里，几团白云浮在蓝天下，起伏的草丘延伸到远处。前景落在一大片云影中，远处不少草坡却被阳光照亮。云影里的草地暗了一些，仍能看清草丘的起伏。

照向前景的阳光在云层中遇到了小水滴或冰晶，光被散向许多方向。有些光经过多次散射才离开云层，向上返回太空，或从侧方离开，也有些继续向地面传播。草地失去了一部分从太阳方向直接照来的光，但没有失去所有来光：头顶和四周的天空仍在照亮它。

从太阳方向直接照来的部分称为直射光，经过散射、从天空各个方向到来的部分称为散射光。平常站在户外看自己的影子，就能分辨两者的作用。身体挡住直射阳光，脚旁留下暗影；上方和四周天空送来的散射光，却仍能照到影子里的地面。

白云之间的蓝天也在送来散射光。阳光穿过空气时，空气分子会把一部分光散离原来的方向，对较短波长可见光的散射更强。晴空常显得蓝，正是因为这部分散射光进入了眼睛。天空中的光向四周传播，其中一部分便照向地面，照进没有直射阳光的地方。

云里的小水滴能把各种颜色的可见光都较强地散向四周。这些光一起进入眼睛，云便显得白而明亮。较厚的云层中，光要经历更多次散射，一部分从云的上方或侧方离开，能传到云底的可见光较少，云底便可能显得较暗。同一片天空里，白云和蓝天都能照亮草地；云层有多厚、遮住多大范围，又会改变地面收到的直射光与散射光各占多少。

草丘本身也会挡光。即使两片草坡都没有云遮挡，朝着太阳的坡面能接到直射阳光，背向太阳的坡面却可能被坡顶挡住，落在阴影里。在一面墙旁也能见到类似情形：地面有阳光，墙面却较暗。太阳若在墙的另一侧，墙体就挡住了照向这一面的直射光。要判断一处明暗的原因，既要看天空的云，也要看坡顶或墙体有没有挡在太阳方向上。

平常在开阔地上，影子的长短还会随着太阳高度改变。太阳靠近地平线时，阳光斜照地面，同样高度的物体会挡出较长的影子。一束光斜照水平地面，也会铺开更大的面积，每平方米接到的能量较少；光还得斜穿较长的一段大气，被吸收或散向别处的机会更多。等太阳升高，影子缩短，光穿过空气的路程变短，照在水平地面上的光束也更集中。在其他条件相近时，水平地面每平方米通常便能接到更多太阳辐射。

换成布满云的阴天，地上的影子常会淡下来，边缘也不那么清楚。云层遮住太阳，直射光可以很弱，但日光仍从较广的天空范围照下来。身体挡住一个方向来的光，别的方向仍有光照进影子，暗影与亮处往往便没有晴天那样分明。

照到草地以前，阳光还可能被空气吸收。高层大气中的氧和臭氧吸收大量紫外线，水汽、二氧化碳等吸收某些波长的红外线。散射改变光的传播方向，吸收则把辐射能量交给空气中的物质。被吸收的能量已经进入地球环境，却没有作为原来的阳光继续照到草地。

草坡收到的太阳辐射中，除了可见光，还有红外线和部分紫外线。照片里云影的深浅只让我们看见可见光减少了；肉眼看不见的波段怎样改变，需要仪器测量，而且不同波长未必按同一比例减弱。把大气外与地面的日光分别按波长测量，就能比较光穿过空气后，哪些波段减少了。研究人员还需要知道空气中有多少水汽和悬浮颗粒，以及阳光穿过多长的大气，才能分析减少的辐射中，有多少被吸收，又有多少被散向其他方向。

树荫里的光从哪里来

林间小路向远处延伸，两侧的树冠伸到路的上方，路旁是草地和灌木。路面上，一块块明亮的光斑落在较暗的树荫之间。与开阔草原上的云影相比，遮挡阳光的枝叶就在近处，枝叶与空隙交错，把地面的受光分成了许多小块。

阳光从树冠上方照下来，有些穿过叶间空隙，直接落在路面上；有些遇到枝叶，不能沿原来的方向一直照到地面。树冠有不止一层枝叶，一处空隙下方还可能有另一层叶片，地面上不同枝叶的影子也能重叠。路上的亮暗，便随着从太阳到路面这一段光路上有没有枝叶遮挡而不同。

光斑之间的路面较暗，却没有暗得看不见。枝叶遮住了一部分天空，天空的散射光仍能穿过叶隙，照到这些没有直射阳光的地方。人在树下换一个位置抬头，能见到的天空范围也会改变：树冠密处遮住的天空更多，较大的叶隙则让更多天空光进入。因此，同在树荫里，不同位置得到的照明也可能不同。

路面收到的光还有一部分来自近处。阳光先照到附近的叶片、草地或路面，一部分被吸收，另一部分被反射向四周。反射的光中，有些照到树干，有些照进路面的暗处。每经过一次反射，光的传播方向就会改变；已经被吸收的那部分能量，则留给了叶片、草地或路面，不再随反射的光传向别处。

还有一些光穿过叶片，来到树冠下方。叶片对某些波长的光吸收得较多，透过叶片的光中，这些波长所占的比例便降低了。同样来到路面上的光，若从叶隙直接通过，就没有经过叶片的这种过滤；若穿过叶片，不同波长的比例便可能已经改变。叶隙和叶片都能让光来到树下，经过的光路却不同。

从日晒处走进树荫，往往很快就觉得没那么晒。树冠挡住了一部分直射阳光，皮肤和衣物直接接收到的太阳辐射减少，从中吸收的能量也随之减少。即使树荫内外的空气温度相差不大，身体受到的照射仍有明显差别。

日光照到屋内以后

树冠挡住阳光，树下便有了阴影；高窗的窗框挡住阳光，屋内的地面上也留下横竖交错的暗条。能从窗框之间照进来的光，还要穿过玻璃，才能落到长凳和地面上。光遇到玻璃时，一部分被反射回去，一部分被吸收，另一部分透过玻璃继续传播。玻璃对不同波长的光并不是同样透明，换一种材料或结构，可见光、红外线等通过的比例也可能改变。

穿过高窗的直射阳光照亮了一片地面，在右侧的浅色长凳上留下一小块亮斑。大部分凳面和靠墙的地面较暗，那些地方没有受到阳光直射，却仍有光照到。窗口除了能让太阳的直射光进来，也能让天空的散射光进入；照进屋内的光被墙面、长凳和地面反射后，有些又照到了暗处。

光照到这些表面以后，一部分被反射进眼睛，我们便看见了凳面的颜色、地面的亮斑和窗框的阴影。暗处反射进眼睛的光较少，但仍足以让我们辨认那里的景物。窗外的树木也这样被看见：光先照到树木，被树木反射后穿过窗玻璃，再进入眼睛。看见屋内的长凳和看见屋外的树木，光经过的位置不同，都需要有光从物体表面来到眼前。

在屋内，一次反射也未必就是光路的结束。墙面反射的光可以照到长凳上，长凳再把其中一部分反射向地面或其他墙面。光照到这些不透明的表面时，一部分被反射，另一部分被材料吸收。这样，光可以在屋内经过多次反射，让原先收不到直射阳光的位置得到间接照明。

光到达地面后，被反射的部分继续传播，被吸收的部分则把能量交给地面材料。材料中的粒子因而可能运动得更剧烈，使地面升温。眼睛所见的明亮程度，取决于地面反射进眼睛的可见光；地面吸收的能量可能来自肉眼看不见的红外线。因此，只看地面有多亮，还不能判断它吸收了多少能量。

受光的地面在得到能量，也在不断散失能量。热量会向地面内部传递，地面与空气之间也会传热；地面同时向周围发出热辐射。这些过程与吸收阳光一起发生，并不需要等到阳光移开以后才开始。在同样一段时间里，得到的能量多于散失的能量，地面温度才会持续升高。如果得到与散失的能量大体相当，即使一直受光，温度也可以趋于稳定。

所以，同一扇窗前的地面究竟有多暖，既与材料和受光时间有关，也与散热条件有关，需要测量才能知道。地面发出的热辐射主要在红外波段，通常不能被眼睛看见。即使直射阳光已经移开，地面仍会通过传热和发出辐射，把先前吸收的能量传给周围的物体和空气。明亮的光斑消失了，散热还会继续。

在日常生活中，窗前的光斑会随着太阳在天空中的方向改变而移动。地球自转，使我们看到的太阳方向在一天中不断变化，穿过同一扇窗的直射光便照到不同位置，窗影也随之移动。窗户开在墙上，只有某些方向的光能直接照进来：早晨照进窗口的阳光，下午可能被窗边墙体挡住；太阳移到墙的背后，这扇窗就收不到它的直射光了。同一块地面的受光时间和得到的能量也会随之改变。

在屋内选择读书的位置时，天空光带来的差别往往也很明显。靠近窗口，通常能看见较大一片天空，也容易收到较多天空光；往屋内走，窗口在视野中占的范围变小，直接从天空照来的光通常减少，照明便更多依靠室内反射。窗户和墙体决定光能从哪些方向直接进入，墙面、长凳和地面再把部分光反射到屋内其他位置。

高窗下，那一小块阳光落在右侧长凳上，窗格的影子铺在地面。地面反射的日光有些照到墙面，有些进入拍摄照片的相机；被吸收的那部分能量则已经交给了地面材料。窗前的景物由这些反射的光显露出来，太阳送来的能量也在这里继续传递。