光谱分析与太阳光谱

【作者】 刘少华

【审核】 周玖

【编辑】 高天可

光谱分析与太阳光谱

光谱学是一门多学科交叉的学科,其已有三百多年的研究历史。自从1666年,牛顿利用玻璃棱镜把通过玻璃棱镜的太阳光展成从红光到紫光的各种颜色的光谱,发现了太阳发射的白光是由各种颜色的光组成的复合光后逐渐成为一种科学研究的重要手段。在三百多年的研究历史长河中,光谱学的研究范围也逐渐扩大,从波长处于皮米级(皮米,单位符号pm,1pm=10^-12m)的γ射线,到X射线,紫外线,可见光区域,红外线,微波,再到波长可达几公里的射电波。光谱学在研究的过程中也逐渐分成了不同的研究方向,其研究领域包含大部分的自然科学。

电磁波谱(图片来源于网络)

十九世纪初,科学家在研究太阳光谱时,发现太阳的连续光谱中有许多暗线。最初不知道这些暗线是怎样形成的,后来了解了吸收光谱的成因,知道了这是由于太阳本省内部发出的强光经过温度比较低的太阳外层大气层时产生的吸收光谱.仔细分析这些暗线,把它跟各种元素的特征谱线对照,知道了太阳的大气层中含有氢、氦、氮、碳、氧、铁、镁、硅、钙、钠等几十种元素。

根据光谱来识别物质种类及确定它的化学组成和相对含量的方法叫光谱分析,根据分析原理,光谱分析可分为发射光谱分析与吸收光谱分析二种;根据被测成分的形态可分为原子光谱分析与分子光谱分析。光谱分析的被测成分是原子的称为原子光谱,被测成分是分子的则称为分子光谱。

复色光经过色散系统(如棱镜、光栅等)分光后,光谱是按波长(或频率)的大小依次排列的图案。太阳发射的白光经过三棱镜后形成按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫次序连续分布的彩色光谱。

通过棱镜色散后的光谱(图片来源于网络)

       红色到紫色,对应于波长7700—3900埃的区域,是人眼所能感觉的可见部分。红端之外为波长更长的红外光,紫端之外则为波长更短的紫外光,都不能为肉眼所觉察,但能用仪器记录。按波长所在的区域不同,光谱可分为红外光谱、可见光谱和紫外光谱。

太阳的光谱主要来自太阳表面温度约为6000K的黑体辐射,这是太阳大气所具有的特质。我们在地球上测得的太阳光谱受到了太阳大气层和地球大气层的共同影响。太阳光谱(The solar spectrum)是太阳辐射经色散分光后按波长大小排列的图案,包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等几个波谱范围。

太阳光谱(图片来源于网络)

太阳光谱拥有极为宽阔的连续谱以及大量的吸收线,是寄存丰富太阳信息的重要载体。太阳属于G2V光谱型,电磁辐射99.9%的能量集中在可见光区(0.4~0.76μm)、红外区(>0.76μm)和紫外区(<0.4μm)。

在地面上观测的太阳辐射的波段范围大约为0.295~2.5μm。短于0.295 μm和大于2.5 μm波长的太阳辐射,由于地球大气中臭氧、水气和其他大气分子的强烈吸收的干扰,其光线基本不能到达地面。

通过太阳光谱的分析,可以了解到太阳大气的化学成分、温度、压力、运动、结构性质以及太阳运动产生的各种现象的机制与演变规律,可以认证辐射谱线,确认太阳大气中各种元素的丰度。

通常太阳光谱的总体变化很小,但有时候太阳谱线具有较大的变化。在太阳发生爆发时,太阳光谱在极紫外和软X射线波段都会出现很大的变化,利用这些波段的光谱变化特征可以研究太阳活动产生的原因。

参考资料

1.https://baike.baidu.com/item/%E5%85%89%E8%B0%B1%E5%AD%A6/1413016

2.https://baike.baidu.com/item/%E5%85%89%E8%B0%B1%E5%88%86%E6%9E%90/3575101

3.http://baike.sm.cn/item/5d9cdfb7d9881b4960bb42db90092f42.html?from=smsc&uc_param_str=dnntnwvepffrgibijbpr&dn=26337109226-bd37f824&nt=1&nw=4G&ve=3.4.2.966&pf=200&fr=iphone&gp=&jb=&pr=ucpro

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