太阳的光强度：大众天文学[精品]

太阳向我们展示了一个直径32'或略大于半度的明亮球体的面貌。准确地来说，我们用眼睛或望远镜看到的这个球体的发光表面，形成了我们可见的太阳，被称为光球层。它的光强度超过了通过任何可能的人工方式产生的光强度，木炭点之间的电光是唯一在无遮蔽的太阳下看起来不是绝对黑色的光。我们对这个发光天体本质的了解始于望远镜的发明，因为没有这种仪器，就不可能对它的构成有任何概念。古人有一种模糊的想法，认为它是一个火球，在这方面他们比一些现代人更接近正确答案；但是，他们的观点完全没有真实的基础，所以除了哲学历史学家，没有人对古代的太阳观感兴趣。因此，我们将考虑从近代的望远镜研究开始我们对太阳描述。

在肉眼看来，光球层，或者说是太阳的发光表面，呈现出一个完全一致的面貌，任何试图洞察其结构的尝试都是徒劳的。但是，当我们使用望远镜时，我们通常会发现它上面有一组或多组暗斑；如果视野好，仔细观察，我们很快就会发现整个明亮的表面呈现出斑驳的外观，看起来像一种液体，其中漂浮着不明确的米粒大小的物质。也许关于太阳外观最常见的说法就是太阳看起来像一盘米汤，但是米粒实际上有几百英里长。几年前，英国的纳斯密特先生用高倍的望远镜观察太阳，宣布他认为这种斑驳的外表似乎是由长而窄的像柳叶一样的物体交织而成的，这些物体向四面八方流淌和交叉，形成了一个网，覆盖着整个光球层。这一观点，虽然已经通过纳斯密斯先生对他的观察所付出的极大关注而得到了赞誉，但并没有得到后来的观察者的证实。

最近对太阳进行的最仔细和最费力的望远镜研究是兰利教授^[1]的研究。兰利教授掌控着一台精密望远镜，使用这台望远镜时，空气似乎比其他地方较少受到太阳光线的干扰。根据他的观察，当仔细观察太阳时，我们所描述的斑驳现象被认为是由一种类似于毛茸的云的外观造成的，其轮廓几乎无法分辨。我们也可以在白色背景上看到许多模糊的点。在高功率条件下，利用有利的时机，一个毛茸斑块的表面被分解成一堆小的、极明亮的、不规则分布的物体，这些物体似乎悬浮在一种相对较暗的介质中，其大小和轮廓虽然不明显，却清晰可见，与我们以前所见的云状形体的模糊性形成鲜明对比，我们现在认为这个模糊是由于它们的聚集造成的。以前看到的“点”其实是相当大的开口，这是由于在某些点上没有白色结节，以及随后形成一般背景的灰色介质的暴露造成的。这些开口被称为气孔。它们的尺寸变化多样使得任何测量都几乎没有价值，尽管我们可以用非常粗略的方式估计出那些比较明显的气孔的直径，在2"到4"之间。

在分辨率非常精细的时候，明亮的结节或米粒状的物体被发现是由微小的光点或“颗粒”聚集而成的，这些颗粒的直径约为三分之一秒。塞基在气孔边缘也发现了这些现象，他估计它们的大小甚至比兰利认定得还要小。事实上，这些点被聚集成小簇，通常呈现出米粒的外观，这给后者带来一个具有一定不规则性的轮廓，这已经被哈金斯先生注意到了。因此，在光球层较亮的区域，似乎有三个聚集顺序：在任何时候都很容易看到的云状形态；在良好的分辨率下和很好的望远镜下，总是可以看到的云状形态分解后的米粒或结节的形态；组成米粒形态的颗粒形态。这种米粒结构只有兰利教授看到过。

如果我们透过一块非常暗的烟熏玻璃仔细观察太阳，我们会发现太阳圆盘的中心是最亮的，然后向着边缘的各个方向亮度会逐渐变暗。仔细比较太阳圆盘不同部位的光辐射强度，发现边缘附近的这种减弱对所有光线来说都是常见的，无论是热射线、光射线还是化学作用射线。兰利通过热电堆、皮克林^[2]所用的光射线和沃格尔^[3]所用的化学射线，对热射线进行了最新的测量。由此确定，在距圆盘中心不同距离处，这些辐射的强度如下页表格中所示。圆盘中心的强度通常假定为100。第一列给出了以太阳半径的分数为单位的、距圆盘中心的距离，这样能达到统一。因此，表格的第一行与中心相对应；最后一行与边缘相对应。然而，兰利教授的测量并没有延伸到最边缘。

可以看出，在圆盘边缘附近，化学射线的消散最快，其次是光射线，最慢的是热射线。粗略地来说，靠近太阳边缘的每一分钟所产生的热射线大约是中心的一半，光射线大约是中心的三分之一，化学射线不到中心的七分之一。自从首次对太阳进行调查研究以来，毫无疑问，人们就已经开始考虑光和热向太阳边缘退化的原因。人们发现原因在于太阳大气层对光线的吸收。太阳是一个由大气层包围的球体，从光球层水平方向发出的光线比垂直方向发出的光线要穿过更厚的大气层；前者是我们在圆盘边缘看到的光线，后者是靠近圆盘中心看到的光线。不同种类的射线的不同吸收性正好符合这一假设：蒸汽吸收最多的是可折射率较高或放射性更强的射线，吸收最少的是热射线。

由此可知，我们只得到太阳实际发出的光和热的一小部分，也许是非常小的一部分；如果太阳没有大气层，它将比实际更热、更亮，颜色更蓝。不同的专家学者对吸收总量的估计非常不同，拉普拉斯认为吸收总量可能高达总量的十二分之十一。然而，估计值越小，越有可能接近事实真相，没有充分的理由认为超过一半的射线被吸收了。也就是说，如果太阳没有大气层，它的亮度和温度可能是现在实际亮度和温度的两倍，但不太可能达到实际情况的三到四倍。兰利教授认为，冰河时期可能是由于在过去的一些地质时代，太阳的大气吸收了更多的热量。

一个非常重要的物理和天文学问题是测量太阳在任何时间段（例如一天或一年间）向地球辐射的总热量。这个问题可能会有一个完全明确的答案，但在获得这个答案的方法上有两个困难：一是区分来自太阳本身的热量，以及来自大气和周围物体的热量；另一个是要考虑到被地球的大气层所吸收掉的太阳热量，必须这样做才能确定太阳对地球的总辐射量。为此，最成功的实验是鲍尔莱和约翰·赫歇尔爵士的实验。前者得到的结果可以这样表示：如果不考虑空气原因，而一片冰保持原状，太阳光线垂直地落在上面，并且全部被吸收，那么这片冰将以24小时融化14.5英寸的速度融化掉。因为这个24小时内有一部分时间太阳是在地平线以下的，并且在其位于地平线上方时，太阳也只能垂直于地球表面的一个点上，因此在整个地球上融化的冰的平均量只是刚才提到的量的一小部分，即每天3.62英寸，或每年100英尺左右。

人们曾试图根据太阳辐射的热量来确定其温度，但由于有关高温辐射定律的不确定性，估计值变化很大。通过假设辐射与温度成比例，塞基^[4]发现后者（温度）是几百万摄氏度，而根据杜隆和佩蒂特实验表明的另一个规律，其他人发现温度是反射炉的几倍。对于光球层的温度，以实验定律为基础，似乎较低的估计值更接近正确数值；但是内部的温度必定非常高。

即使是伽利略同时代人制造的粗劣望远镜，在多次对准太阳进行观察时，也不会没有发现太阳表面的一个或多个斑点。根据已经提到的现代科学规则，一项既不需要工业也不需要技术的发现，无论是什么荣誉，都应该授予法布里修斯，因为他发现了太阳黑子。这名差点在天文学界变得默默无闻的观察者早在1611年就知道了太阳黑子的存在，这是在伽利略开始用他自己的望远镜细查天空一年之后。伽利略和舍纳紧随着也发现了太阳黑子，通过他们，人们第一次开始了解这些黑子的性质。

舍纳的第一个想法是，这些黑子是太阳附近的小行星；但伽利略很快反驳了这一点，他指出它们一定是在太阳表面上。太阳受到任何像黑点那样严重的不完美影响的想法，与当时的教会哲学相抵触，舍纳的解释是想保留我们中心的发光天体（太阳）的完美，这个也不是不可能。

一个非常小的观察表明，这些斑点有规律地从东到西穿过太阳圆盘，整个横越过程中大约需要12天的时间。一个黑子通常首先出现在太阳东翼或其附近，12或14天后，它会消失在西翼。再过14天或更久，它又出现在东边，除非在同一时间它完全消失了。人们发现这些黑子不是永久性的物体，而是时不时出现的，并且在存在几天、几周或几个月后消失。但只要它们存续下去，它们总是会表现出刚才描述的运动，由此推断太阳在大约25天内绕轴旋转一周。

图43：实验者手持望远镜，在屏幕上显示太阳。

17世纪和18世纪的天文学家使用了一种观测太阳的方法，当一个人没有一个能供他使用的带墨镜片的望远镜时，通常会发现这种方法很容易观测到这些黑子。拿一个普通的好的小望远镜，或者说是任意尺寸的望远镜，把它指向太阳。为了保护眼睛，可以在目镜前紧挨着一张纸找到正确的方向：当太阳通过望远镜照射到这张纸上时，指向基本是正确的。望远镜应该安装在一些可移动的支架上，这样它的指向就可以随着太阳的不同方向而改变，并且这个望远镜应该通过某种屏幕上的穿孔，这样太阳就不会照射到望远镜的前面，除非通过望远镜才能照射出光线。在百叶窗上开一个口将能达到这个目的，只是光线不能通过窗户的玻璃到达望远镜。将仪器的目镜从适合观看远处物体的点向外抽出约八分之一英寸。然后，拿着一张白纸放在目镜前，距离为6到12英寸，一幅太阳的图像就会投射到纸上。纸张的距离必须随目镜拉出的距离调整。我们拉出的目镜越远，太阳的最佳图像就会在越近的地方形成。调整一切，使太阳图像的边缘清晰可见，通常在纸上就可以看到一个或多个太阳黑子。这种方法，或类似的方法，经常被用于观测日食和水星凌日，当需要向许多观众展示太阳的放大图像时，它非常方便。

当高倍率的望远镜被应用到太阳上时，人们发现这些黑子不仅仅是最初看起来的暗斑，而是由两个明显的部分组成的。它的中心部分，称为本影或核心，是颜色最深的部分，周围有一个边界，其色调介于黑子的黑暗和太阳表面的明亮中间。这个边界被称为半影。通常它是一种统一的灰色。但是当用一个很好的望远镜在非常稳定的大气中仔细观察时，会发现它有条纹，事实上，它看起来很像茅草屋顶的底部，每根麦秆都指向黑子的内部。它的外观如图所示。

图44：太阳黑子，引自塞基。

黑子形状极不规则，大小不等。它们通常以组的形式出现——有时两个或多个组合成一个；并且经常发生的情况是，一个大的黑子分解成几个小一些的。它们的存续时间也非常多变，从几天到几个月不等。

直到大约一个世纪前，这些黑子是否不像是天蝎座那样，漂浮在光球融化的表面上的暗斑，还是个问题。然而，一位苏格兰观察者威尔逊发现它们在光球中看起来像是空洞，黑暗的部分比周围明亮的表面要低。当一个黑子靠近圆盘边缘时，他发现在离太阳中心最近的那一侧，半影变得异常狭窄，这表明它的这一侧的观测角度比另一侧小。这种透视效果如图45所示，在靠近太阳边缘的地方，离我们最近的半影侧被光球层所隐藏。黑子是空洞的这件事也被这个事实证明：当一个大黑子正好在圆盘的边缘时，有时会在那里看到缺口。被遮住的半影似乎形成了空洞的边，而本影是看不见的底部。

这些观察结果产生了著名的威尔逊理论，该理论通常与赫歇尔的名字联系在一起，赫歇尔更全面地发展了这一理论。根据这个理论，太阳的内部是一个凉爽、黑暗的天体，被两层云所包围。外层非常明亮，形成可见光球，内层较暗，在斑点周围形成本影。本影仅仅是这些云的开口，这些云不时形成，通过它们我们可以看到内部的暗体。威尔逊理论认为这个暗体在太阳的创造起了特殊的作用，他们认为暗体里面住满了聪明的人，这些聪明的人被内层的冷云保护起来，不受光球层剧烈辐射的影响，但是除了通过光球层中偶尔出现的、我们视为光斑的开口处获得的微光，这些聪明人看不到任何外面的宇宙光景。

图45：当太阳黑子穿过太阳圆盘时，太阳黑子的面貌发生变化，表明它是光球层中的一个空洞。

除去对生物的幻想，这个理论很好地解释了太阳表面的现象。从黑子的性质来看，光球层明显不可能完全是固态、液态或气态的。如果它是固态的，后者（光斑）就不可能像我们看到的那样处于一直变化的状态；而如果它是液态或气态的，这些空洞就不能像有时看到的那样持续几个月，因为液体或气体物质会从四面八方涌入并填满它们。赫歇尔唯一似乎受到质疑有待商榷的假设是光球层是由漂浮在大气中的云组成。因为这些空洞的侧面看起来相对较暗，所以得出这样一个结论：光球的亮度只在表面上和表面附近，似乎是不可避免的；而空洞的底部看起来完全是黑暗的，所以得出太阳内部是黑暗的结论似乎是不可避免的。

力守恒以及热与力的相互转化的发现，对这一理论是致命的。像赫歇尔这样所假想的太阳在几天内就会完全冷却，那么我们就不可能从中得到光和热。像太阳这样的连续不断辐射了几千年的热流，只能通过某种形式的力的持续消耗来维持；但是，根据赫歇尔的理论，满足这种消耗所必需的供给是不可能的。即使有任何力量能保持光球层的热量，它也会通过传导和辐射不断地传递到内部；这样，迟早整个太阳就会像光球层一样热，它的内部居民也会被消灭掉。在赫歇尔时代，人们认为太阳不必是一个非常热的天体，许多人都认为，从太阳的光线中接收到的热量是它们穿过大气层时产生的。因此，光球层被认为只是磷光性的，而不是热光性的。许多受过教育的人仍然乐于接受这一观点，因为他们不熟悉19世纪发现的热定律。因此，我们可以说这是完全站不住脚的。这些定律的一个最好的确定结果是太阳表面非常热，可能比任何反射炉都要热。当前科学状态中的一个重大问题是，太阳如何维持热量供应以防止辐射造成的巨大损失。

18世纪对太阳黑子的仔细观察似乎表明，太阳产生光斑的活动的时间约为11年。在两到三年的时间里，这些黑子比平均值大，数量也更多；然后它们开始减少变小，在达到最大值的五六年之后，会减小到最小值。再过六年，这些黑子的数量和大小的最大值再次回归。然而，这些间隔有点不规则，在确定这一时间间隔的规律之前，还需要进一步观察。有利于这一时间间隔的证据可能来自于德国天文学家施瓦布（Schwabe）的一些观测结果，施瓦布在他一生的大部分时间内对太阳进行了系统观测。他对太阳黑子产生力的一个测量是，他每年看到的没有黑子的太阳的天数。以下是他的一些结果：

1828—1831，太阳表面没有观测到太阳黑子 仅1天

1833，太阳表面没有观测到太阳黑子 139天

1836—1840，太阳表面没有观测到太阳黑子 3天

1843，太阳表面没有观测到太阳黑子 147天

1847—1851，太阳表面没有观测到太阳黑子 2天

1856，太阳表面没有观测到太阳黑子 193天

1858—1861，太阳表面没有观测到太阳黑子 0天

1867，太阳表面没有观测到太阳黑子 195天

我们看到，在1833年、1843年、1856年和1867年，一年中有约一半的时间没有观测到太阳有明显黑子。苏黎世的沃尔夫博士将这个时间段的反复出现追溯到了伽利略时期，其平均长度约为11年1个月。19世纪太阳黑子最少的年份是1810年、1823年、1833年、1844年、1856年和1867年。继续这个数列，我们可能预期在1878年、1889年等年份太阳黑子比较少。太阳黑子产生最多的年份是1804年、1816年、1829年、1837年、1848年、1860年和1870年，由此我们可以得出1882年、1893年等也将是大量太阳黑子出现的年份。

施瓦布的观察和沃尔夫的研究似乎已经证明这一周期的存在毫无疑问，但还没有对其原因做出令人满意的解释。当太阳黑子周期第一次被注意到的时候，它与木星公转周期的接近，自然地导致了这样一种想法，即两者之间存在联系，太阳系中最大的行星的引力对太阳产生了一些扰动，这种干扰在近日点比在远日点更大。但这种联系似乎被这一事实所推翻：即太阳黑子周期至少比木星公转短6个月，甚至一年。因此，所讨论的太阳黑子周期性很可能不是由于太阳以外的任何活动引起的，而是一些我们至今还不了解的太阳活动规律的结果。

太阳黑子周期与有趣的地球现象之间存在一定的假定联系。威廉·赫歇尔爵士收集了大量的统计数据，这些数据表明，太阳黑子的数量与玉米的价格有着密切的关系，玉米的价格在太阳黑子少的时候是低的，在太阳黑子数量多的时候是高的。他的结论是，太阳黑子越少，太阳光对作物的生长就越有利。这一理论并没有被后来的观察所证实。然而，从利弗林教授和卢米斯教授的研究中，有一些理由相信，极光和磁扰动的频率受一个与太阳黑子相对应的周期的影响，这些现象在太阳黑子最多的时候最为频繁。卢米斯教授认为这一巧合已经得到了很好的证明，而利弗林教授则更为谨慎，在得出积极结论之前，他期待着进一步的研究证明。1859年和1870年—1871年的大极光的出现与该理论惊人的一致。

1843年至1861年间，英国的卡林顿先生对太阳黑子的位置和运动进行了一系列非常仔细地观察，以推断太阳绕其轴旋转的确切时间。这些观测结果导致了一个显著的结果，即这些黑子所显示的自转时间在太阳的各部分上都不相同，但赤道区域似乎比靠近两极区域的自转时间更短一些。在赤道附近，这一自转周期约为25.3天，而在纬度30°区域，这一周期则多了一天。此外，旋转周期在不同的时间似乎是不同的，并随着太阳黑子的频率发生变化。但是这些变化的规律还没有确定下来。由于它们的存在，我们不能像确定地球和一些行星的自转时间那样，为太阳确定任何明确的旋转时间。在不同的时间，不同的情况下，太阳自转时间从25天到26.5天不等。

关于这些变化的原因，那些最仔细研究过这个问题的人之间还没有达成共识。佐尔纳^[5]和沃尔夫在这些太阳黑子的一般运动中看到了从太阳两极向赤道移动的洋流痕迹。后者认为，11年的太阳黑子周期与大约每11年一次由液态或气态物质形成的洪水向太阳两极涌来，然后又逐渐流向赤道有关。佐尔纳采用了同样的理论，并做了一个数学分析，其基础是太阳有一个固体外壳，在其上流淌的流体中形成了太阳黑子。洋流在两极附近涌出，在没有任何旋转的情况下，向赤道漫延，并受到旋转地壳摩擦的作用。由于这种摩擦，地壳不断携带洋流一起旋转。由于离轴的距离越大，洋流越接近赤道，地壳的旋转速度就越快。摩擦力的作用是如此之慢，以至于洋流在开始地壳运动之前就到达了赤道。根据这个假设，太阳外壳的自转周期确实为大约25天；而覆盖它的流体在距离太阳赤道较远的地方旋转得较慢的原因是它还没有达到这个正常的旋转速度。

这种对太阳赤道地区比两极附近地区自转时间更短的看似悖论的解释，不能被视为一种既定的科学理论。据作者所知，它被称为迄今为止能提供的最详尽的解释。有可能这些太阳黑子在太阳表面有自己的适当运动，这就是不同纬度上旋转时间产生明显不同的原因。然而，另一个关于这个问题的理论是费伊^[6]的理论，他坚持认为，这些旋转速率的差异是由于上升和下降的气流造成的，这将在详述他的观点时得到更充分的解释。但我们在这里涉及的问题，到目前为止，科学还远未处于一个可以回答的状态。

如果太阳从来没有用望远镜以外的任何仪器进行过检查，也没有被月球的干涉完全遮住，我们就不能对在太阳表面进行的活动的性质有任何了解；但我们更满意的是，我们对太阳的构成有一个完整的了解。事实上，值得注意的是，现代科学向我们展示的太阳的奥秘比它所能解释得多；因此，我们比以前更加不能找到对太阳各种现象的一个令人满意的解释了。当古人认为太阳是一个熔化的铁球时，他们有了一个非常符合当时科学要求的解释。对于伽利略和谢纳来说，太阳黑子并不神秘，它们只是光球层中的暗区。赫歇尔对它们的解释与他那个时代的科学是完全一致的，他可能被认为是最新的掌握太阳物理构成理论的人，这在该理论提出的时候是非常令人满意的。我们已经证明了他的理论是如何被力守恒的发现所驳倒的；我们现在要看看在近代有什么令人费解的现象被揭示出来了。

日全食期间的现象——如果在日全食的过程中，观察着逐渐减小的月牙形太阳，直到它要完全消失的时刻，才发现异常现象。当最后一缕阳光消失时，一幅绝无仅有的美丽、壮丽、令人印象深刻的景象突然映入眼帘。月亮的球体，黑得像墨水，看起来像悬挂在半空中，周围环绕着一顶柔和的银色光冠，就像老画家用来描绘圣人头上那样的光环。除了这个“日冕”，从月球盘边缘的不同点发散出形状非常奇特的玫瑰色火舌。在这两个现象中，日冕至少早在开普勒时期就被发现了；事实上，只要日全食发生，就会有观测者发现日冕。但是在近一百年内，天文学家的注意力才被引向玫瑰色的火焰，尽管近两个世纪前的《哲学事务》中记录了对玫瑰色火焰的观察。它们有好几个称呼，被称为“火焰”“突起”和“突起”。

对日冕的描述虽然在许多细节上有所不同，但大体上是相似的。哈雷对1715年日全食时所见日冕的描述，如下所示：

“在太阳被完全遮住之前的几秒钟，在月球周围发现了一个发光的圆环，其宽度可能是月球直径的大约十分之一。它是一种浅白的颜色，或者说是珍珠色，在我看来轻微带了一点虹膜的颜色，而且与月亮同心。”

近期更仔细和更精细的观察表明，日冕不是以前所认为的圆形，而是有着非常不规则的外形轮廓。有时它的形状比圆形更接近正方形，正方形的角约为太阳纬度的45度，因此，它的边与太阳的两极和赤道相对应。然而，这个正方形的外观并不是由任何形式的规则性引起的，而是由于日冕在太阳的两极和赤道中间看起来比在这些点附近更亮、更高。

这些突出的部分有时看起来像是从太阳射出的光线。日冕总是在其底部最亮，逐渐向外缘变暗。不可能确切地说它延伸了多远，但毫无疑问，到离月球边缘一个半直径的距离处还可能观测到它。

图46：1869年8月7日，艾奥瓦州得梅因的日全食，J. R. 伊斯特曼教授所绘。字母a、b、c等，标记的是突出部分的位置。

日冕以前被认为是月球或太阳的大气层。三四十年前，最可信的理论是它是太阳大气，红色的突起是漂浮在其中的云。日冕可能是月球大气的说法完全被它不规则的轮廓所推翻，因为像月球这样的天体的大气必然会以几乎均匀的层散在周围，并不能像日冕被观察到的那样，堆积在某些地方。我们很快就会发现，日冕无疑是围绕着太阳的东西。

在西班牙观测到的1860年的日全食中，红色突起是属于月球还是太阳的问题得到了解决。当时是通过测量它们在月球边缘以上的高度来证明，月球边缘没有携带它们，而是经过它们。这证明它们是与太阳相对固定的。

在这次日食发生时，分光镜还处于初级阶段，没有人想到将它应用于日冕和突起的研究。下一次相当大的日食发生在8年后的1868年7月，在印度和暹罗（泰国）可见。同时，分光镜也得到了广泛的应用，并且几个欧洲国家派遣了远征队前往印度，对有关物体的光谱进行检查。最成功的观察者是法国的让森，他在内陆占据了一个很高的位置，那里的空气非常清澈。在发生日食的那天，当最后一缕阳光被前进的月亮切断时，一个巨大的突起显现出来，高出太阳表面几千英里。分光镜很快就打开了，观察者经过训练的眼睛一瞬间就看到了因为发光的氢而形成的亮线光谱。因此，突起不是由任何仅仅通过反射的阳光而发光的物质组成的，而是由大量的氢气组成的，这些氢气的热量足以让它自己发光。突起的云状本质理论很快就被推翻了。

这一观测标志着太阳物理学新纪元的开始，这是在非常偶然的情况下由另一位观察者独立开创的。当让森作为第一人，首次看到那些线条时，他突然想到，在日食的全食阶段经过之后，这些线条足够明亮，可以被看到。因此，他决定观察它们，并发现他能跟随它们多久。他不仅在日食的全食阶段经过之后，而且在整个日食完全结束之后，都能看到它们。事实上，他发现，只要有一个足够强大的分光镜，他就可以在空气完全清澈的任何时候看到突起的光谱线，这样，迄今为止只有在日全食的罕见时刻才能看到的这些非凡物体的各种形式，就可以成为定期观察的对象了。

但这一伟大的发现是由J.诺曼·洛克耶先生在英国做出的，与日食无关。这位先生是光谱学领域的一位活跃的学者；他想到，构成这些突起的物质，离太阳表面如此之近，必须足够热，才能不仅可以照亮自己，而且必须完全气化，如果是这样，它的光谱就可以通过分光镜被观察到。他发现他所拥有的仪器什么也看不见，就定购了一个更强大的仪器。但由于工程延期，仪器的制造直到1868年10月才完工。10月20日，他把它指向太阳边缘，在光谱中发现了三条明亮的线，其中两条是氢。于是他证实了一个他两年前就形成的想法，但当时由于缺乏合适的工具，他无法证实这个想法。他的成功消息很快就传到了法国科学院，就在消息传到这个机构的当天，从印度的让森那里也得到消息，他也解决了同样的问题。

在他的研究之后，洛克耶先生发现突起实际上只是包围着整个太阳表面的一个狭窄的外壳的升高部分：也就是说，太阳被主要由氢气组成的大气所包围，其中的一部分以巨大火焰的形式在这里或那里升起，然而，这个现象是看不见的，除非使用分光镜，或是在日全食期间。洛克耶先生将这种大气命名为色球层。它以前在日全食期间曾被几个观察者看到和识别过，但关于它的性质却一无所知。

我们所描述的研究并没有揭示日冕的组成，因为日冕太暗淡了，在当时无法研究它的光谱，除非是在日全食期间。令人欣慰的是，仅仅一年后，1869年8月7日，美国出现了日全食。月亮的影子经过阿拉斯加海岸，然后进入内陆，经过不列颠美洲的西南部，进入美国的内布拉斯加州，然后经过艾奥瓦州、伊利诺伊州、肯塔基州、弗吉尼亚州西南和北卡罗来纳州。美国天文学家、海军天文台的哈克内斯教授和达特茅斯学院的杨教授，对这次日食进行了非常广泛的观测，尤其关注了光谱观测。这些观察者发现，日冕形成了一个非常微弱的连续光谱，由一条亮绿线隔断，这在突起的光谱中也可以看到。这条孤立的线在1870年12月21日的地中海日食中再次被发现；但它在任何已知的地球物质光谱中都没有被识别出来。在它的附近有几条铁线，但是由于这条线是独立的，它似乎不可能是由铁的蒸气产生的。我们只能说，给出这条光谱线的物质，似乎是日冕唯一的气体元素，是未知的，可能是一些在地球上还没有发现的比氢轻得多的气体。

图47：塞基绘制的太阳隆起的标本。每幅图中明亮的底色代表了红色火焰从中升起的色球。

对太阳周围各种气体光谱的持续观察显示，在日全食期间所看到的谱线数量比以往任何时候都要多。洛克耶先生本人经过几年的勤奋观察，发现了一百多个。但这方面最大的进展是C.A.杨教授做出的。1871年，海岸调查局支持的一次天文考察，目的是通过实际试验了解在太平洋铁路所穿越的最高处建立一个天文台是否会有很大的优势。这个高点是谢尔曼高地。这次探险的光谱部分是由杨教授负责的。虽然那里有很多多云的天气，但是，当空气清澈时，从太阳周围的天空处反射的光要比在低海拔时少得多，这在研究太阳周围环境方面是一个很大的优势。杨教授发现至少273条他可以确定地辨认出来的明亮线条。许多已知物质的存在，特别是铁、镁和钛，都由这些线条显示出来；但也有许多线条是未知的，不属于任何地球物质。

关于太阳的物理构成，有一些观点可以或多或少地确定下来，但主体在很大程度上都存在怀疑和模糊。由于物质的性质在任何地方都是相同的，只有当我们能够用我们周围所运行的物理定律解释所有太阳现象时，我们才能解决太阳的物理构成问题。在太阳上运行的物理定律必须至少与我们这里运行的物理定律一致，这一事实并不总是被那些推测过这个问题的人所记住。为了阐述太阳现象的原因中，什么是非常可能的，什么是也许可能的，我们将从外部开始，然后向内，因为对太阳外部活动的疑虑比对太阳表面或内部活动的疑虑要少。

当我们接近太阳时，我们遇到的第一个物质是日冕，它上升到离太阳表面5'到10'甚至15'的高度，也就是说，从十万到三十万英里的高度。关于这个附属物，我们可以完全有信心地说，它不是我们普通意义上所认为的大气，即所谓的由自身的弹性所支撑的一个连续的弹性气体质量。在支持这种否定的两个原因中，一个在我看来几乎是决定性的，另一个也完全是决定性的。具体原因如下：

1.太阳上的引力大约是地球的27倍，那里任何气体的重量都是地球的27倍。在大气中，每一层都被上面所有层的重量所压缩。结果是，当我们以连续相等的步伐下降时，大气的密度以几何级数增加。目前已知最轻的气体——氢的大气密度，每向下五到十英里就会增加一倍，尽管它们加热后的温度可达到太阳表面以上十万英里高度可能存在的最高温度。但是当我们往下走的时候，日冕的密度并没有这么快增加。如果我们假设日冕是这样一个大气，我们必须假设它比氢还要轻数百倍。

2.1843年的大彗星在太阳表面3'～4'处经过，因此直接穿过日冕。在最接近太阳时，它的速度是每秒350英里，它几乎以这个速度穿过至少30万英里的日冕，没有受到任何可见的损害或阻碍。为了了解它到底遭遇了什么情况，假设它遇到了最稀薄的大气层，它会变成什么样子，我们只需要想一想，流星在我们的大气层外50到100英里的高度处，与我们的大气层相遇时所产生的热量会使它立即完全蒸发；也就是说，这是大气层完全停止反射太阳光的一个高度上。流星的速度是每秒20到40英里。现在回想一下，阻力和热量至少会以速度的平方增加，一个天体，或者像彗星一样的一系列天体，以每秒300多英里的速度穿越数十万英里最稀薄的大气层，其命运会是什么？当彗星经过时，不仅没有破坏，而且没有失去任何可感知的速度，这样的大气一定是多么稀薄啊！当然非常罕见，完全看不见，也不能产生任何物理效果。

那么，日冕是什么呢？可能是被它们所暴露的高温部分或全部蒸发的分离的颗粒。在一立方英里的空间中，一个尘埃粒子暴露在太阳向周围的每一个物体倾泻而出的光的洪流中时，就会发出强烈的光。我们遇到的难题是，这些粒子是如何支撑形成日冕的？对这个问题只能给出推测性的答复。日冕的形状有很大的变化，这一事实表明粒子并不是永久固定在一个位置上。在1869年的日食中，古尔德博士认为他在日食持续的三分钟内发现了变化。在这个问题上形成的三个猜想是：

1.日冕物质处于一种我们可以称之为投射的状态，不断地被太阳抛出，而每一个这样投射出来的粒子又会根据万有引力定律落下。我们在这里遇到的困难是，我们必须假设在太阳球体的每一个区域中，必须一直维持每秒高达200英里的投射速度。

2.太阳抛出的粒子被电排斥维持了或多或少的时间。我们知道大气中的电在地球气象学中起着积极的作用；如果太阳表面的电作用与我们发现在地球上引起电现象的物理和化学作用成正比，那么那里的电的发生规模就一定很大。

3.日冕是由于微小的流星云团在太阳这一发光体的附近围绕太阳循环而形成的。

正如已经暗示的，这些解释都只是猜想，尽管很可能事情的真相就分散在它们当中的某处。

位于日冕内部的下一层是色球层。在这里，我们到达了太阳真正的大气层，一般比太阳表面高出几角秒，但不时地向上投射出巨大的物质，我们称之为火焰，这个词不足以表达出其中进行的大规模的热作用的任何概念。我们所说的火和火焰是燃烧的结果；但是太阳表面的气体已经非常热，以至于燃烧是不可能的。氢是色球层上部的主要物质；但是，当我们看到色球层下部时，我们发现许多金属的蒸气，包括铁和镁。在底部，金属数量最多、密度最大的地方，太阳光被吸收导致了我们之前已经描述过的光谱中的黑线。在1870年西班牙日食期间，杨教授的观察似乎令人满意地证明了这一点。在最后一束阳光消失的那一刻，当他看到色球层的底部时，他看到所有的光谱线都颠倒了，也就是说，它们是暗底上的亮线。当太阳光被切断时，从太阳处发出的经过蒸气的光线被部分吸收，此时又被蒸气释放出来。(www.xing528.com)

图48：太阳，连同它的色球层和红色火焰，在1871年7月23日，由塞基绘制。这些数字标志着火焰，共有17个。

与色球层有关的最令人吃惊的现象是它形成突起的物质的爆发。突起分为两类——云状和喷发状。第一类呈现的是漂浮在大气中的云的外观；但是由于那里没有足够密度的大气来维持任何可能存在的东西，我们发现在解释它们时与解释日冕物质悬浮时一样困难。事实上，在对日冕的三种推测性解释中，如果将其中两种解释应用于突起，则是不可接受的，因为这些云状天体有时停留得太久，无法假定它们在太阳引力的影响下移动。这使得电解释成为提出的唯一充分的解释。喷发状的突起似乎是由于来自色球区域的氢和镁蒸气以有时可达每秒150英里的速度投射而形成的。喷发可能持续数小时，甚至数天，蒸气扩散到数千英里的范围内，然后回落到色球层。

是否可以用语言对这里进行的自然活动的规模进行任何充分的概念表达？如果我们把色球层称为火的海洋，我们必须记住，它是一个比最猛烈的火炉更热的海洋，它的深度和大西洋一样宽。如果我们把它的运动称为飓风，我们必须记住，我们的飓风每小时只吹一百英里，而色球层的飓风在一秒钟内就可以吹一百英里。它们是这样的飓风，“从北方向我们袭来，在它们穿过圣劳伦斯之后的30秒内，就会到达墨西哥湾，带着整个大陆表面的物质，不只是一团废墟，而是一团炽热的蒸气，其中构成波士顿、纽约和芝加哥城市的物质熔化产生的蒸气混合在一片难以辨认的云中”。当我们谈到火山爆发时，我们会想起维苏威火山将周围城市掩埋在熔岩中；但是太阳爆发，高达5万英里，会将整个地球海湾化，并在一瞬间将其表面的每一个有组织的生物熔化。当中世纪诗人唱道：

“尘寰将在烈火中熔化，

那日子才是天主震怒之日。”

他们控制了自己最狂野的想象力，却远没有达到太阳周围火焰的大小或猛烈程度的那个量级。

对于日冕和色球层，望远镜通常什么也看不到。它们只能在日全食期间或借助分光镜才能看到。我们用眼睛或望远镜所看到的是太阳的发光面，叫作光球层，色球层就坐落在它上面。正是这个光球层辐射出可到达我们这里的光和热。学者们对光球构成的看法是如此不同，以至于很难表达出任何在某个地方不会受到挑战的观点。尽管许多人持有相反的观点，但我们可以冒昧地说，光和热似乎不是来自气体，而是来自固体物质。这是因为它们的光谱是连续的，而且光的强度远远超过了任何气体产生的强度。这并不意味着光球层就是一个连续的固体或外壳，因为固体物质的悬浮粒子也可以用同样的方式发光。一般认为光球层是云状性质的，也就是说，微小的粒子飘浮在热气体的大气中。它不像我们的地球那样是连续不断的固体，这一点通过太阳黑子的变化和运动似乎充分显示了出来，这些黑子的变化和运动具有在流体或气体中出现的每一种现象。事实上，最近，一些最著名的物理学家认为它是纯气体，压力使它像固体一样发光。

但这一理论存在着一个尚未充分考虑的困难。光球层与气态色球层形成鲜明对比，不受水平变化的影响。如果它是气态的，就像我们想象中那样，固体颗粒之间没有任何联系，那么我们应该预料到那些形成突起的猛烈的喷发会把部分颗粒带走，这样它就会不时地呈现出不规则的锯齿状轮廓，就像色球层那样。但是，最精细的观察也从未表明它会受到水平的微小变化，最精细的观察也从未表明它会受到水平微小变化的影响，或者与原本完美的圆形度有所偏差。除非在太阳黑子区域，其连续性似乎被巨大的裂缝状开口打破。

光球层在我们所描述的剧烈运动下静止不动，这给我们一种假设提供了某种可能，即它是一种固体外壳，在炽热的太阳内部的周围形成，或者，至少它是由一种相对稠密的液体构成的，这种液体停留在这样一个外壳上。后者是佐尔纳的观点，他认为在太阳的外部和内部之间有某种包裹物，这绝对是解释喷发状突起的必要条件。他认为这个固体包裹物的位置在光球层表面下的三四千英里处。

在光球层中，有一个巨大的内部球体，直径86万英里。关于太阳内部最持久的理论是一个令人吃惊的理论，它认为太阳内部既不是固体，也不是液体，而是气体，所以我们的巨大发光体只是一个巨大的气泡。这一物质内部承受的压力，使其几乎达到液体的密度；而温度是如此之高，以至于使物质保持在液体和气体之间的状态，在这种状态下不可能发生化学作用。支持太阳内部气体理论的一个优点是，它是唯一解释太阳光和热是如何保持的理论。它是如何做到这一点的，这将在解释支配宇宙长期变化的规律时得到详细证明。

在过去的十年里，我们对太阳的了解进展如此之快，只有那些将太阳作为他们一生的主要事业来研究的人，才能够完全跟得上这种进展。出于同样的原因，研究太阳的人所怀有的关于太阳的观点必须不时地加以修改和扩展。作者对地球上所有生命和运动的物理来源的兴趣，使他希望以最新的形式向读者介绍这些观点；并且，由于目前还健在的最著名的几位太阳物理学的研究者的好意，他有幸能达成这个愿望。以下陈述以各写作者的语言呈现，但塞基先生和费伊先生除外，为了方便英语读者，这些陈述是从法语翻译过来的。值得注意的是，在某些小问题上，它们相互之间以及与作者在前一节中所表达的观点之间存在差异。在研究如此困难的问题时，这种差异是不可避免的。

尊敬的塞基神父的观点——“对我来说，和其他人一样，太阳是一个炽热的物体，温度非常非常高，在这个温度下，我们的化学家和物理学家所知道的物质，以及其他一些尚不知道的物质，都处于蒸气状态，被加热到这样的程度下，因为蒸气承受的压力或者由于其承受的高温，它的光谱是连续的。这个炽热的物质构成了光球层。它的极限是由外层被空间中的自由辐射以及天体所施加的引力降低到的温度来定义的，正如一般情况下的白炽气体一样。光球层是由微小的、明亮的颗粒组成的，由一张深色的网隔开。这些颗粒只是构成它们的火焰的顶点，它们上升到较低的吸收层之上，形成了网状结构，我们很快就会更清楚地看到。

“在光球层的上方是一个非常复杂的大气层。在它的底部是重金属蒸气，在一个温度较低的时候，它不再允许连续光谱的光发射出来，尽管它足以给出带有明亮线的直接光谱，这可以在日全食期间在太阳的边缘观察到。这个光球层非常薄，高度只有一两角秒。根据基尔霍夫提出的吸收定律，这些蒸气从穿过它们的光球层的光线中吸收光谱中的光线，从而产生太阳光谱中被称为夫琅和费黑线的断裂。这些蒸气与大量的氢混合。这种气体的存在量使它大大高于另一层，形成一个厚度达10到16角秒甚至更厚的包裹层，构成了我们所称的色球层。氢总是与另一种物质（暂时称为氦）混合，后者形成了突起光谱的黄线D3，与氢混合的还有另一种更稀有的物质，形成绿线1474K。这后一种物质上升到比氢更高的高度；但在阳光充足的情况下，它不像氢那么容易被看到。可能还有其他一些物质尚未确定。因此，组成这个太阳包裹层的物质似乎是按密度的顺序排列的；但仍然没有任何明确的分离，气体的扩散产生了一种恒定的混合物。

“这种大气以日冕的形式在日全食时可以被看见。很难确定它的绝对高度。日食证明，它的最高部分可能达到与太阳直径相等的高度。

“毫无疑问，它延伸得更远，很可能与黄道带的光有关。这层大气的可见层不是球形的；中纬度地区比赤道地区高近45度，两极依然较低。在色球层的底部，氢具有由非常细的、紧密的细丝组成的小火焰的形状，这些细丝似乎与光球层的颗粒相对应。在平静时期，这些细丝的方向垂直于太阳表面；但在活跃期，它们通常或多或少地发生倾斜，并且通常系统性地朝向两极。

“太阳的本体永远不会处于绝对静止状态。由于它们的相似性，在天体内部聚集的各种物质往往结合在一起，并必然产生各种剧烈的扰动和内部运动。因此，大量的危机通过喷发和通常实际上的爆炸，在从大气层的较低层上升的过程中出现在地表。然后，较低的金属蒸气被投射到相当高的高度，特别是氢，在分光镜下（在全日光下）可见的高度为太阳直径的四分之一。这些大量的氢，离开光球的温度高于大气的温度，上升到后者的高度区域，保持悬浮，在相当高的高度扩散，形成所谓的突起。氢气突起的结构完全类似于从更致密的层中抬升并扩散到更罕见的层中的流体脉：但它们的极端变异，甚至在底部，以及出口和扩散位置的快速变化，证明它们没有穿过固体抵抗层中的任何孔。

“这些喷发通常与密度更大的金属蒸气柱混合，这些蒸气柱无法达到氢的高度，借助分光镜可以识别其性质：偶尔我们会看到它们以抛物线喷射的形式落回太阳上。最常见的物质是钠、镁、铁、钙等——事实上，这些物质也同样组成了太阳大气的低吸收层，通过它们的吸收产生了夫琅和费线。这些条件的一个严格和不可避免的后果是，当太阳在光球层和观察者的眼睛之间旋转时，它裹挟着那些扬起的物质，因而吸收变得非常敏感，并在光球层本身产生一个暗点（黑子）。金属吸收线在这一区域变得更宽、更扩散；如果提升的物质足够高、密度足够大，我们甚至可以看到已经反转的线再反转；也就是说，我们可以在暗点（黑子）的背景上看到物质本身的亮线。这种情况经常发生在氢这个物质上，因为氢能上升到很高的高度，钠和镁也会发生同样的情况，因为这些金属有最稀有的蒸气。在这里，我们找到了太阳黑子的起源。它们是由大量吸收蒸气形成的，这些蒸气是从太阳内部产生的，并介于光球层和观察者的眼睛之间，阻止了大部分光到达我们的眼睛。

“但这些蒸气比它们被发射出来后所处周围的物质要重。因此，它们会因自身的重量而下降，并倾向于沉入光球层，在光球层中产生一种充满了更暗和更具吸收力的物质的空洞或盆地。因此，在黑子中能识别出空洞的面貌。如果喷发是瞬间的，或者持续时间很短，那么这个重新落回光球层的蒸气物质会很快变得炽热、被重新加热和熔化，并且太阳黑子也会迅速消失；但是太阳球体的内部危机可能会持续很长时间；在太阳的两个或两个以上的自转过程中，喷发可能保持在同一个位置，因此，这些黑子持续存在；因为云的形成时间和速度与光球层熔化它的时间和速度一样快，就像我们火山喷出的蒸气一样。当喷发即将结束时，可能会在同一地点附近复活和繁殖几次，并在形状和位置上产生变化很大的太阳黑子。

“这些斑点（黑子）有一个中心区域，称为核心，或本影，还有较浅的周围部分，称为半影。后者实际上是由薄而暗的纱，以及易于侵入暗物质的光球层物质的细丝或流体组成的。这些流体有舌头的形状，通常由球状物质组成，看起来像一串珠子或柳叶，很明显，它们只是光球层的颗粒，向光斑的中心沉淀，有时像桥一样穿过光球层。

图49：图示说明塞基的太阳黑子理论

“在每一个太阳黑子里，我们必须区分三个存在时期：第一，形成期；第二，休息期；第三，灭绝期。在第一种情况下，光球物质会因剧烈的搅动，通常是以旋涡的性质，而升高和扭曲，它会使光球物质在流动的溪流周围升高，并形成不规则的高度，要么没有半影，要么非常不规则。这些不规则的运动无法描述：它们的速度是巨大的，并且被搅动的区域漫延了好几个平方度；但是这种上翻很快就结束了，搅动慢慢地消退了，然后平静了下来。在第二阶段，被搅动和升高的物质回落，并趋向于以或多或少圆形的物质状态结合在一起，并因其重量沉入光球表面。因此，像漏斗一样的光球的凹陷形式，以及从圆周的每一点涌来的无数流体，冲向这片模糊的物质；但同时，它与释放的物质之间的对比仍然存在。太阳黑子呈现近似稳定的圆形，这种对比可能会持续很长时间，事实上，只要太阳球体的内部活动提供新材料，这种对比就会持续。最后，内部活动停止，喷发作用减弱并耗尽，侵入光球层各面的吸收物质被溶解吸收，太阳黑子消失。

“这三个阶段的存在是通过对太阳黑子和喷发的比较研究来确定的。当一个太阳黑子在它的第一个时期位于太阳的边缘时，尽管黑暗区域是看不见的，但如果这个太阳黑子相当大的话，它的位置可以由金属蒸气的喷发显示出来。在最黑暗的区域里，钠、铁和镁的蒸发量最大，并且上升到很高的高度。平静而圆形的太阳黑子上覆盖着美丽的光斑和氢和金属蒸气的喷射，非常低，尽管非常明亮。一个接近消亡的太阳黑子没有金属喷流，最多只有几个小的氢喷流，以及一个更加活跃和升高的色球层。此外，观察还告诉我们，一般情况下，喷发伴随着这些太阳黑子一起出现，并且在没有太阳黑子的时候，喷发也是不足的。因此，太阳活动是通过具有共同来源的喷发和太阳黑子的双重活动来测量的，而这些太阳黑子实际上只是一种次级现象，它们取决于喷发和或多或少的物质吸收量：如果喷发的物质不具有吸收性，我们可能看不到任何太阳黑子。

“仅由氢构成的喷发不会产生太阳黑子；因此，它们在圆盘的所有点上可见，而这些太阳黑子仅限于热带地区，金属喷发仅在那里出现。简单氢的喷发产生了光斑。光斑更亮的原因有两个：第一个原因是光球在蒸气吸收层上方的高度非常薄（如我们之前所说，只有一到两角秒）；因此，这个升高的区域不受下层吸收的影响，并且显得更亮。另一个原因可能是，氢在出来时会挤走吸收层，并取代金属蒸气，从而能让我们更好地观察到光球本身的光。

“因此，总而言之，太阳黑子是一种次级现象，但是，尽管如此，它告诉我们太阳内部普遍存在的激烈活动。太阳黑子的频率与喷发频率相对应，这两个现象连在一起，是太阳活动的标志。这些黑子占据了太阳赤道两侧的区域，很少超过纬度30度。在纬度45度上可以看到的一两个是例外。因此，这种纬度是太阳球体最大活动的极限。值得注意的是，30度的纬线将半球分成两个等体积的部分。在这些平行线之外，我们看到的是光斑，但不是真正的太阳黑子，或者至多只是一些隐蔽的斑点，表明金属喷发非常微弱。

“如果没有内部循环，这样一种流体物质，部分暴露在非常不同的温度下，就无法生存。我们还不知道它的规律；但是下面的事实已经足够确定了：太阳黑子的区域不是固定的，而是从赤道向两极有一个渐进运动。到达一定高的纬度后，太阳黑子不再出现，但经过一段时间后在低纬度重新出现，随后重新向两极渐进。在这些位移阶段之间，通常有一个太阳黑子的最小值。在活跃期，突起主要朝向两极，色球层的火焰也同样朝向两极。这表明光球层从赤道到两极的一般运动趋势。这种运动是由喷发带和隆起带的位移所支撑的，它们似乎总是向两极移动。

“除了纬度上的这种运动外，光球层还有经度上的运动，在赤道上的经度运动是最大的。因此，物体在不同的平行线上旋转的时间是不同的，最小的是在赤道上。这些现象导致了这样的结论：所有物质都受到一个旋涡运动的影响，这个旋涡运动从赤道向两极进行，在一个与子午线倾斜的方向上运动。这些运动的理论仍有待阐述，而且毫无疑问，它与太阳形成的原始模式有关。

“太阳的活动会有相当大的波动：最好确定的时期是11年，但是活动增加的速度比减少得快——它增加过程大约4年，减少过程大约7年。这种活动与地磁现象有关，但我们不能说是以什么方式。我们可以假设一个太阳对地球的直接电磁影响，或者太阳的热作用对地球磁场的间接影响。事实上，假设充满我们行星系统空间的以太质量可能会被中心体的活动极大地改变和修改，这是非常自然的。但是，不管这些活动变化的原因是什么，我们完全不了解它们。行星的作用被认为是合理的，但远不能令人满意。真正的解释有待科学来进行，它将揭示把热与电、磁和引力原因结合在一起的连接的性质。

“关于太阳内部，我们没有确切的信息。尽管太阳一直持续承受热损失，但它的表面温度还是很高，我们不能假设它在内部的温度会低一些；因此，除了在太阳深处，在引力引起的压力等于或超过因为温度造成的分子膨胀之外，不可能存在任何固体层。不管怎样，我们的仪器所能探测到的那一层无疑是液态和气态的，因此我们可以解释某些天文学家所确定的太阳直径的变化。尽管有这些微小的波动，但在相距较长的时期，尤其是在历史时期，太阳进入行星系统的辐射几乎是恒定的。这种恒定性是由以下几个原因造成的：第一，太阳的巨大质量，由于温度很高而只能缓慢冷却；第二，质量的收缩，伴随着热量损失而产生的冷凝；第三，由于总质量中可能发生的化学作用而产生的离解热量的排放。

“这种热量的来源是在引力作用下发现的；因为已经很好地证明，太阳质量，通过从行星系统的极限收缩到现在的体积，不仅会产生它的实际温度，而且会产生比现在高几倍的温度。至于这个温度的绝对值，我们还不能非常肯定地确定。科学还没有确定分子活力和辐射强度到一定距离（这个距离是观察给出的唯一数据）之间的关系，我们发现自己处于一种痛苦的不确定状态。然而，这个温度用我们的温度计来测的话，一定是几百万摄氏度，并且能够使所有已知物质保持在蒸气状态。

“罗马，1877年2月11日。”

M. 费伊先生的观点——“在没有任何先入观念的前提下研究这些太阳黑子的运动时，我们与卡林顿先生一起发现，它们的纬度和角速度之间存在着一个简单的关系。然而，这个定律不足以代表它们所能容许的精确度。在计算时，我必须考虑到估算为太阳半径1/200深度的视差，考虑到某些非常小范围的振荡，考虑到太阳黑子垂直于它们的平行线的长期性，这样，观测结果才能以很高的精度呈现。由这个观测结果，我得出结论，我们要处理的是一个相当简单的机械现象。所讨论的定律可以用公式表示，ω=a-b sin²λ：

ω是太阳黑子在纬度λ处的角速度，a和b是常数，在整个太阳表面上具有相同的值（a=857'.6，b=157'.3）。这些常数可能随时间变化缓慢，但我没有研究过它们的变化。

“正如我们将进一步看到的，承认太阳黑子的速度与形成黑子的光球层区域的平均速度相同，我们将看到：

“1.至少在几个月或几年的时间内，光球中相邻光带的旋转速度几乎是恒定的，但随着从一个光带到另一个光带的纬度而变化。

“2.这些光带几乎平行于赤道移动，而且从未像在大气层的上部区域那样，显示出有流体不断地流向两极。

“3.太阳黑子是中空的，或者至少黑子核心处在光球层上明显凹陷。

“表面自转的速度越来越小，越来越明显地朝向两极，而且赤道没有任何运动，只能不断从极深处向表面所有点上升的物质的垂直上升开始。这个深度从赤道向两极不断增加，遵循一个类似于旋转的定律，这就足够在表面上产生一个随纬度增加的延迟。在45度纬度上，这种延迟大约是每一个旋转延迟两天。太阳的质量，主要由在一定温度下可冷凝的金属蒸气形成，并且由于外部冷却而达到一定的温度，应该建立一个上升蒸气的双垂直运动，从而形成一个易受强烈辐射影响的浓缩物质云，以及以雨水形式掉入内部的浓缩产物。后者在它们遇到足够高的温度使它们重新蒸发的深度处停止，然后迫使它们重新浓缩。由于太阳的整个质量几乎都参与了这一双重运动，云辐射的热量将从这一质量中借用，而不是从一个表面层借用，其温度将迅速下降，并很快凝结成一个完整的地壳。因此，光球层的形成和支撑，以及光球辐射的持续性和长期性，部分原因是太阳整体的缓慢收缩。

“光球层中相邻的光带以不同的速度进行活动，在垂直轴周围产生大量的圆形旋转运动，延伸到很深的深度，就像在我们的河流和大气的上层流中一样。这些旋涡，趋向于平衡刚才提到的速度差异，跟随光球流的方式与我们大气中的旋风、龙卷风和气旋跟随它们起源的上层流方式相同。像这样，它们正在下降，正如我通过这些地球现象的一项特别研究所证明的（与气象学家的不同）那样。它们把主要由氢构成的上层较冷的物质带到太阳的深处，因此只要旋转运动继续，它们的中心就产生一个光和热的决定性消失。最后，在旋涡底部释放的氢在这个深度被重新加热，并在旋涡周围翻滚上升，形成不规则的射流，出现在色球层上方。这些射流构成了突起。

“太阳的旋涡和地球上的旋涡一样，具有各种各样的维度，从几乎看不见的孔洞到我们不时看到的巨大斑点。它们和地球上的一样，有一个明显的趋势，先增加，然后分裂，从而形成一排沿着同一条平行线延伸的黑子。半影是由光球的一部分造成的。半影是由于旋涡产生的温度降低，光球的一部分在其较低水平的圆锥形表面周围形成。有时在这种发光的鞘层中，我们可以看到内部旋转运动进行的痕迹。

“更难解释的是太阳黑子的周期性。在我看来，它必须取决于内层形式的波动，而光球层的凝聚物质则以雨的形式落到内层。来自上面的物质流必须一点一点地改变这一层的旋转速度。如果它的压缩随时间的推移而改变，并且变得更圆，光球表面速度的变化以及旋回运动，将在强度和频率上减少。

“供给光球层的垂直运动将越来越受到阻碍的时间终于到了，然后冷却将是纯粹表面性的，太阳的表面将硬化成一个连续的地壳。

“巴黎，1877年2月。”

杨教授的观点——“1.在我看来，几乎可以证明，由于太阳的平均密度很低，引力也很大，那太阳的中心部分，实际上，除了靠近表面的一个相对较薄的壳层外，一定都是气态的，而气体在如此高的温度下，在大多数情况下是彼此分离，不能发生化学反应。然而，在高压和高温的影响下，它们的密度和黏度可能使它们的力学行为更像是焦油或蜂蜜的，而不是我们熟悉的空气。

“2.光球层是太阳的可见表面，它由太阳气体凝结和组合形成的云组成，这些气体被辐射到太空中而充分冷却。这些云像我们大气层中的云一样悬浮在大量未凝聚的气体中，在大多数情况下，可能具有近似垂直的柱状结构，横截面不规则，长度超过其直径许多倍。由它们组成的液体和固体颗粒不断下降，它们的位置不断地由在云柱之间上升的气流的新鲜凝结物提供。在光球的下表面一定会有一种巨大的“降水”，这种降水可能被称为太阳“雨雪”，它会下降到气态核心，通过内部的热量被重新蒸发、分解并恢复到原来的气体状态；表面辐射损失的热量由太阳体积的逐渐缩小和光球层的增厚而产生的机械作用所取代。我不知道有什么方法可以确定光球壳的厚度，但从这些太阳黑子的现象来看，它几乎不能小于一万英里，而且可能要大得多。

“3.云壳的重量，以及对下降的凝结产物的阻力，作用是在封闭的气体核心上产生一个收缩的压力，迫使气体以极大的速度向上穿过云层之间的间隙，从而使加热的气体喷射或爆炸，不断地上升到太阳表面，同样的物质随后在云柱中重新下降，部分凝结成固体或液体颗粒，部分未凝结，但已大大冷却。在上升气流通过的通道的上部，似乎也不可能经常出现不同气体的混合物，这些气体通过膨胀冷却到足够低于离解点的温度，以允许它们爆炸性结合。

“4.‘色球层’只是覆盖在光球层上的一层不密集的气体，虽然没有固定的表面将这两个层分离。色球层的下部富含太阳成分的所有气体；但在相对较小的高度，密度更高、永久性更低的气体消失了，只在上部区域留下氢和一些尚未确定的其他物质。太阳光谱中的黑线主要来源于光球云中较密集的气体所产生的吸收，而这些金属蒸气只是偶尔通过异常暴烈的上升喷流进入上层区域。当这种情况发生时，几乎总是与一个太阳黑子有关。日珥仅仅是氢和其他色球层气体的加热物质，被上升的气流带到相当高的高度，并且显然飘浮在相互渗透并覆盖色球层的‘日冕大气’中。

“5.我不知道日冕是什么形成的。它的光谱证明，它的相当一部分光来自于某种极其罕见的气态形式物质，这种物质不能认定为任何已知的地球化学物质；这种气体，不管它是什么，都存在于离太阳表面不少于一百万英里的高度处，构成‘日冕大气’。它的另一部分光似乎只是反射的阳光。但是是由什么力量决定了日冕的特殊辐射结构，我不知道。彗星尾部和极光流光的类比似乎都很有启发性；但是，另一方面，日冕、北极光、彗星和星云的光谱都是不同的，至少没有两个是相似的。

“6.至于太阳黑子，我认为已经没有任何疑问，它们是光球上表面的空穴，它们的黑暗仅仅是由于充满它们的气体和蒸气的吸收作用。同样可以肯定的是，在非常普遍的情况下，即使并非总是如此，也会有氢和金属蒸气在半影的外缘猛烈涌出，色球层在太阳黑子的中心出现相当大的凹陷；也可能有下降的流体通过它的中心。至于太阳黑子的成因，以及对它们的望远镜细节的解释，我不满意。总的来说，费伊理论在我看来，是所有已被提出的理论中最合理的，但我不能认同其中的太阳黑子系统旋转或其特殊形式的缺失。尽管如此，它无疑具有重要的真理要素，也许可以加以修改以应付这些困难。至于这些太阳黑子的周期性，我无法以任何方式认为这是由于行星的作用；至少，我觉得目前的证据还完全不够；但我没有任何假设可以提供。我也没有任何理论来解释太阳表面的扰动和地磁之间的某种联系。

“7.至于太阳表面的温度，我没有定论，只是我认为它一定比电光中碳点的温度高得多。对那些基于牛顿冷却定律（坦白地说，这只是一个近似值）进行计算的人的估计，在我看来显然是错误和夸大的；另一方面，法国物理学家的计算是基于杜龙和佩蒂特的方程式，他们得出的很低的估值，在我看来，几乎不可信，因为它们的整个结果取决于由实验确定的数值指数的准确性，而这个实验却是在低温条件下完成的，而且实验环境与太阳表面的情况大不相同。这个过程是不安全的推断。根据太阳直径缓慢收缩的假设，太阳辐射的可感知的恒定性似乎得到了公正的解释。

“8.我认为太阳赤道的加速运动是太阳物理学中解释不清的事实中最重要的一个，并且相信它的令人满意的解释将伴随着大多数其他有待解决的问题的解决。

“简言之，以上就是我的‘意见’，但我对其中的许多观点几乎没有信心和毅力，并且焦急地等待着更多的启发，特别是关于太阳自转的理论、太阳黑子的成因和构成以及日冕的性质方面的。我认为，我观点中唯一的闪光点是，我赋予凝结产物下降的影响的重要意义，我认为凝结产物实际上形成了一种收缩的表面，对下面的气体物质产生压力，就像气泡膜压缩了内里密闭的空气一样。由此产生的压力主要归因于色球和日珥的喷发现象。

“达特茅斯学院，1877年3月。”

兰利教授的观点——“在我看来，我们现在有证据表明，对那些认为光球层是炽热液体的观点，或将太阳黑子一方面类比为火山岩烬物质，另一方面又类比成太阳表面上的云的观点做出最终的否定判断。根据望远镜的直接证据，光球层是纯蒸气的，我认为这些上层蒸气比我们天空中最薄的卷云还要轻。光斑的观察使它们和整个表面的“颗粒状”云结构与通过分光镜观察到的色球形状紧密结合在一起，并将两者与一个处处作用的流体系统联系在一起，该系统通过冷凝作用将内部热量传递到表面，再把冷的吸收性物质拿回来。我认为，即使与太阳直径相比，这种垂直环流的深度也是合理的。它在太阳黑子附近被称为连续的上光球层的地方与观察到的近水平运动共存。这些黑子提供了只可能发生在流体中的气旋作用的证据。它们的黑暗是由于在不寻常的深度存在着相同的遮蔽大气，形成了灰色介质，其中发光的光球状物似乎悬浮在其中，我们在这里观察，它在光球层的开口处，向下延伸到太阳内部的区域，发光蒸气云发出的微弱光线使太阳内部区域可以被看见，这些发光蒸气落在较低的层中，由于温度和压力条件的变化，露点发生了变化。所有的观察和所有合理的推论都表明，太阳在其整个质量中是气态的，尽管这样并不意味着否定在类似于雨的情况下冷却的光球蒸汽可能形成的降水；这可能是维持外部和内部之间冷物质和热物质的交换平衡所必需的条件；也不意味着理想流体的条件是可以预期的，在这种情况下，由于极热而引起的黏度基本上（如果不是其他原因）改变了这些条件。在我看来，太阳的温度必然比许多物理学家所指定的要高得多，他们认为太阳的温度可以与实验室熔炉中可获得的温度相媲美；但我们不能自信地为太阳温度设定任何上限，除非物理学已经超越了目前依靠经验法则将辐射和温度联系起来的极限；这一点，而不是缺乏来自物理天文学的准确数据，才是目前涉及这个重要问题时几乎所有模糊结论的来源。目前还没有一个没有任何异议的太阳构成理论被提出，但如果还没有找到它所提出的各种问题的万能钥匙，我认为，最可能解开谜团的还是费伊的理论。

图50：太阳黑子，引自兰利。

“对于太阳的势能，可以说，我们认为它足以在以百万年计的时间段内提供当前规模的热量。但我们马上要关注的是，当我们接收到这个势能时，它转化为实际辐射能的速率是恒定的，因为这决定了我们存在条件的稳定性。现在，这种稳定性又取决于太阳表面和内部之间上述交换的平等性，除了有限的经验外，我们对其恒常性一无所知。也许我们可以确定的关于太阳最重要的陈述是一个否定的陈述。在目前的知识状况下，我们只有经验依据，去相信史前时期和未来太阳辐射的稳定性。

“上述评论虽然有限，但在我看来几乎涵盖了关于太阳物理结构的所有要点（不包括分光镜的积极证词），即使在目前，我们仍有权在这个问题上自信地发言。”

[1] S. P. 兰利教授，宾夕法尼亚州阿勒格尼天文台主任。

[2] E. C. 皮克林教授，麻省剑桥哈佛天文台主任。

[3] 赫尔曼·C.沃格尔博士，以前是博茨坎普的天文学家，现在是普鲁士波茨坦太阳天文台的天文学家。

[4] 安吉洛·塞基神父，罗马天文台台长。

[5] J. C. F. 佐尔纳博士，莱普西克大学教授。

[6] H. E. 费伊先生，法兰西科学院院士。