熱知識：繽彩光焰

01-25

每個人都有自己的感知系統，酸甜苦辣咸，紅黃綠青籃。

人眼具有兩種不同的感應器：視桿和視錐細胞。一般而言，視桿細胞更為敏感一些，但它們只能呈現黑白圖像，視錐細胞次之，但卻能呈現彩色視覺。當光級度不夠強大到激發視錐細胞時，視覺就會以視桿細胞為主導，這也是為什麼我們看月光總是白色的。但是當光度足夠時，由於視錐細胞對與可見光波段的450nm~650nm的光（Eye"s Response to Light）比較敏感，所以我們基本上得以窺見五彩繽紛的世界。

當然了，我無法感知你眼中的藍是否與我見到的一樣。不過，對大多數人來說，橙色的夕陽幾乎是大家對美景的共識了：

圖片來自http://www.bing.com/images/search?q=sunset&view=detailv2&id=C9590722FDE0725BFBC5D32FAE85410A277C5B48&selectedindex=5&ccid=Qd%2BndFpX&simid=608022827224008107&thid=OIP.M41dfa7745a57ee6906b04ff0985dd565H0&mode=overlay&first=1

在我的中二時代的記憶里，太陽似乎一直是橙色或者白色的，偶爾也兼職一下黃色，直到高中的物理老師告訴我們，有一種現象叫做瑞利散射（Rayleigh scattering），當時的膝蓋你可別提了。

瑞散是半徑比光或者其他電磁輻射波長小很多的顆粒對入射光的散射，其中，散射的光強與入射光的波長4次方成反比：

圖片摘自Rayleigh scattering

從上圖中可以看出，因為藍光的波長短，瑞利散射的強度和比例就高，因此被散射的藍光充滿顆整個天空，使得天空呈現藍色。如果在正午的話，我們更多的看到太陽的直射光而不是散射光，因此可能我們看到更多是接近陽光的本色——白色（紅黃色光與藍綠色光的混合）。如果是在日落時分，太陽在地平線附近，此時的陽光在大氣中的光程相對較長，大量的直射光中的藍色光被散射掉了，留下不怎麼藍不怎麼綠的橙紅色。

那麼黃色，是怎麼回事？

別急，慢慢來。太陽的核心溫度可達到15000000K，但是我們無法看見那裡的光芒，因為實際上太陽是不透明的。在內部發射的光子不到一厘米的區間就會被「重吸收」，因此裡面的光子要離開到達表面至少需要4000年的時間（詳細計算看NASA IMAGE satellite,Ask the Space Scientist Archive）。太陽的外層溫度要更低，因為那裡的密度更低，不發生聚變反應。隨著距離往外增加，溫度逐漸的降低，直到表面的溫度（光球層大約5000K左右）足夠低到人眼能看到其對應的可見光區。

而這就是太陽的視在顏色或者說表觀顏色（apparel color，color: Apparent Color of Objects）。

太陽的視在顏色由峰值波長決定，而峰值波長又是由其光球層溫度決定的：

上圖可以明顯看出，我們的太陽光，它的黃色部分具有最高的峰值（功率密度），所以有時我們也會看到黃光，不過由於與其他可見光段的光強度差別不是特別大，所以太陽光是各種可見光的組合——白光。

但是，如果一顆非常非常熱的恆星，你會看到它藍色光波段（峰值波段）的強度明顯高於其他波段，所以它的光芒看上去是藍色的。而一顆相對較冷的恆星，它的波峰出現在紅光波段，所以光芒是紅色的。例如船底座伊塔星和參宿4：

圖片摘自《How the universe works》

當然了，如果沒有大氣，沒有散射，整個天空的背景就會非常黑暗，你看到的陽光就是其視在顏色，感受一下國際空間站上的日出：

然而，好奇的你要問了，這張熟悉的照片是從哪裡來的捏：

圖片來自SDO | Solar Dynamics Observatory

其實不用我說你們要知道，這肯定不是光學望遠鏡拍攝的，這張與來自太陽及日光層觀測衛星（Solar and Heliospheric Observatory，SOHO - Solar and Heliospheric Observatory）上搭載的遠紫外成像望遠鏡（Extreme ultraviolet Imaging Telescope，簡稱）拍攝的四張超清圖中的其中一張非常相似：

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

這四張圖片分別對應不同波長的光：17.1nm、19.5nm、28.4nm和30.4nm。由於人眼能識別的波長大概在380nm到750nm之間，所以我們並不能真正辨出EIT照片里的光彩，因此我們實際上看到的給予的「假色」。EIT的樣片通常是紅色、藍色、綠色和黃色的。

而之所以EIT使用這些波長，是因為它們對應於電離的鐵和氦所發出的波長。這樣做的目的是，表明EIT能捕捉到正常情況下因為被光球層可見光所模糊或者遮擋的日冕的詳細信息。

當然，除了SOHO的捕捉外，還有來自太陽動力學觀測衛星（Solar Dynamics Observatory，簡稱SDO）的照片：

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

這些五彩繽紛的太陽照來自於SDO的大氣成像組件（Atmospheric Imaging Assembly，簡稱AIA）。

該儀器可拍攝高時間與空間解析度的完整太陽盤面的數個不同波長紫外線和極紫外線影像。儀器內有四個各自獨立操作的望遠鏡，由史密松天體物理台設計。

摘自https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_Dynamics_Observatory

下面對照片一個一個解釋：

HMI Dopplergram繪製的是太陽表面光球層的速度，暗區代表朝向我們，亮區代表遠離我們（Explanation of Dopplergrams）；

HMI Magnetogram繪製的是太陽表面的磁場圖形，黑色表示磁感線遠離地球，白色表示磁感線指向我們；

HMI Continuum提供的是光球層的可見光圖像；

AIA 1700?使用的是紫外連續譜，展示的是太陽的表層以及色球層的圖像，代表溫度在4500K；

AIA 4500?使用時白光連續譜，展示的是太陽光球層溫度為6000K的圖像；

AIA 1600?對應的波長對碳-4的，代表溫度為10000K。拍攝的是上光球層與過渡區（在色球層和日冕之間）的混合圖，從這塊區域開始溫度急劇升高；

AIA 304?對應的波長為氦-2的，代表溫度是50000K。這裡的光來自色球層和過渡區，通常用紅色表示；

AIA 171?對應的波長為鐵-9的，代表溫度是60000K。這個波段對應寧靜日冕和冕環的光，通常用金色表示；

AIA 193?對應的波長為溫度1000000K的鐵-12和溫度20000000K的鐵-24.。前者代表日冕的微熱區，後者代表太陽耀斑中的重熱物質。這個波段的光顏色通常用棕色表示；

AIA 212?對應的波長為溫度2000000K的鐵-14。表示的是日冕中更熱、磁場更為活躍的區域。這個波段的光顏色通常用紫色表示；

AIA 335?對應的波長為溫度2500000K的鐵-16。表示的同樣是日冕中更熱、磁場更為活躍的區域。只是用藍色表示；

AIA 94?對應的波長為溫度6000000K的鐵-18。表示的是太陽耀斑時日冕熱區。這個波段的光顏色通常用綠色表示；

AIA 131?對應的波長為溫度超過10000000K的鐵-23和鐵-24。代表了太陽耀斑中的物質。這個波段的光顏色通常用青色表示。

如果再把波長段拓寬呢，如果使用紅外望遠鏡觀測呢：

通過不同對不同電磁波段敏感的望遠鏡，你能看到不一樣的「顏色信息」的太陽。

說到這裡，放鬆一下，大家知道在太空中零重力下的火焰是什麼樣的嗎？看過電影《地心引力》的大家應該都熟悉桑德拉布洛克被團狀火焰追逐的場景，所以聰明的你肯定知道：

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

右邊那個就是零重力下的火焰燃燒情形，這個實驗是在太空中一個密閉的含氧的容器中進行的，NASA專門還進行了Flame Extinguishment Experiment（FLEX）實驗來研究微重力場的火焰「燃燒」機制。

這裡借用非常喜歡的youtube的DNews頻道（https://www.youtube.com/watch?v=9zdD7lfB0Fs）的簡單解釋：

在地球上，火焰燃燒後，就加熱它周圍的空氣，使得某一塊特定區域的空氣密度降低。這塊區域里的空氣相對的向上流動，因為引力會把更冷、密度更大的空氣向下拉，形成我們看到的形態。因為氧氣和重力的存在，火焰在地球上得以維持上述的過程，消耗氧氣——低密度空氣上升——冷重空氣下沉——繼續消耗新鮮氧氣：

在太空中，因為失重，火焰的形態是向四周擴散，相對隨意：

圖片摘自Why flames are yellow and blue + microgravity

同時密度更大的氣體沒法下沉，所以它就會呆在那裡，使得我們看到團狀的火焰。最後慢慢的，火焰就被自己產生的二氧化碳給嗆死了。

至於為什麼是藍色的火焰？——說實話，這個真難到我了。

火焰的顏色受到愈多因素的影響，最重要的幾個就是黑體輻射、譜帶發射、譜線發射和譜線吸收。最常見的火焰，比如碳氫化合物的火焰，顏色的最重要決定因素是氧氣的供應量和氧氣—燃料的預混程度，後者直接決定了燃燒（Combustion）的速率、溫度和反應路徑，從而產生不同的色調。

在正常的重力環境下，本生燈（Bunsen burner）的燃耗火焰是黃色的，溫度大概在1000攝氏度。這是因為碳分子的白熾現象（不是白痴）：

它是熱輻射的一個特殊狀況。理論上，一個完全黑暗的物體，經由施加能量，將會放射出電磁輻射，這被稱為黑體輻射，它的光譜可以由普朗克定理得知。一個黑體可能輻射出的總功率，可以由斯特藩－玻爾茲曼定律計算出來。由維恩位移定律則可以得知它所發射電磁輻射的波長。如果這個波長，落在可見光光譜的範圍內，就會出現白熾現象。

摘自Incandescence

因為非常精細的煤煙顆粒（Soot）所產生的白熾狀態，火焰呈黃色。但是當氧氣供應不斷增加，具有黑體輻射的煤煙顆粒產生的就越來越少，因為一個更加完全的燃耗反應出現了，而這個反應有產生了足夠的能量來激發並電離火焰中的氣體分子，導致了藍色的出現，看下圖：

圖片摘自Flame

一個預混良好完全燃燒的火焰，其中受到激發的分子基團，他們的發射光譜帶都在565nm以下，這塊區域就是屬於可見光譜的藍色和綠色區。

在微重力場中，前面也說了，自然對流乾脆就消失了，火焰球狀擴散，因此火焰的氧氣供應和燃料的蒸發受控於更慢的步驟——分子擴散，所以有相對合理的猜測（NASA Quest > Space Team Online和http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20040053584.pdf）說是此時的溫度分布更加的均勻，以至於完全燃燒發生導致煤煙粒子無法形成，因此呈現藍色。

那麼為什麼有的火焰看上去，邊緣要更亮而內部反而要更暗呢，像這樣：