太阳极紫外辐射

我们都知道什么是光，

但要说出它是什么并不容易。

                                         –塞缪尔·约翰逊，博斯韦尔引述（1776）

　　光是什么？通常而言，是指人类眼睛可以看见的电磁波，一般是定义为波长介于400至700nm的电磁波。太阳是地球最为主要的光源，也是地球的主要能量输入源，太阳发射的电磁波被称为太阳辐射，通常使用波长函数来标示其谱辐射强度（图一）。太阳不同波长的辐射影响着地球大气的不同部分，可见光和红外辐射可达到地表，为人类生存提供条件，紫外波段被地球高层大气吸收，极紫外和软X射线（波长小于120nm,EUV）被高于100公里的大气层所吸收，真空紫外波段(VUV;0.1-200nm) 这一部分只占太阳总辐射输出的0.007%,但是确是太阳上最为精彩的波段,太阳真空紫外波段对太阳活动,特别是爆发活动的高度敏感性表现为在X射线波段(XUV;0.1-10nm)高达多个数量级的变化,极紫外波段(EUV;10-120 nm)的几倍多的变化到远紫外波段(FUV;120-200nm)的 60%的变化率,而其他波段的变化率只有不足1%甚至不到0.1%。

图一，电磁谱分类及太阳辐射特征:上面为电磁谱分类,对应的波长,光子能量和对应区段的名称分类 (Attwood et al., 2016);下图为太阳辐射特征,横轴为波长,左侧纵轴为太阳辐射强度,右侧纵轴为一个太阳活动周年 (11 年) 的辐射变化率,图中蓝线为随波长分布的辐射谱强度,红线为对应 5770 K 理想黑体辐射谱型,绿线为 11 周年的辐射变化率,青线为海平面所测到的辐射强度。可以看出,大气对 200 nm 以下的真空紫外波段基本是屏蔽的(Juzeniene et al., 2011)。

　　因而高敏感性的真空紫外波段可以用来诊断太阳大气活动，而地球大气窗口对该波段范围的非透明性使得地基仪器很难探测到源自于太阳的真空紫外辐射，所以我们需要空基仪器来接收太阳真空紫外波段(图二)，进而反推太阳上发生的热动力学过程。

图二，存在于日地空间环境中的众多观测卫星的卡通图，其中包含了计划中尚未发射的 (黄色)，运行当中的 (橘色)，主要观测太阳的 (青绿色)，附属观测太阳活动的 (天蓝色)，图片来自 NASA(有修改)。

　　太阳光子主要表现为来自太阳表面绝对温度 5770 K 的黑体辐射 (Aschwanden, 2005), 同时叠加上各种吸收线，发射线和连续谱。图一给出的太阳全波段辐射与黑体辐射之间的耦合程度，我们可以看出，特别是在真空紫外波段，存在着非常大的差异。真空紫外的束缚 -束缚辐射和自由 -束缚辐射在其特定波段分别构成了叠加在背景黑体辐射的更强的辐射谱型(图三)。这种辐射效应是由太阳高层大气的低密度条件下非局地热平衡所导致的。区别于光球层局地热平衡条件下的电子/离子的相互碰撞作用主导，日冕中光子的辐射转移和自发衰减主导了该辐射。

图三，图中上部分为不同温度对应的太阳不同的区域，下部分为 0.1 到 200 nm 的太阳辐射谱的样例，从 XUV， EUV 到 FUV 波段，这些辐射来源于太阳大气的色球层，过渡区，和日冕，一些辐射谱线标注在辐射谱中 (Woods et al., 2002)。

　　在真空紫外波段 (VUV； 0.1-200 nm)，主要的辐射来自于三种，束缚 -束缚辐射，自由 -束缚辐射和自由 -自由辐射，对于太阳辐射而言，真空紫外主要的辐射源区为太阳大气的日冕层和色球层，其中认为 100 nm 到 150 nm 辐射主要源自色球层，小于 100 nm 的真空紫外辐射源自更高温度的日冕层，套用黑体辐射模型，大致对应于 1 MK 温度的黑体辐射。图四分别给出了利用极紫外波段的成像和摄谱两类手段对一个太阳活动同时进行观测。

图四，左图为SDO/EVE仪器X射线波段对太阳的成像图，观测到一个耀斑事件；右上同一事件在EVE上9-14 nm波段上的耀斑谱；右下为提取出的Fe XX, Fe XVIII和0.1-7nm的辐射随时间变化曲线，图片来自NASA。

　　综上，太阳极紫外光谱来源于太阳大气当地等离子体的辐射，反映着当地等离子体参数特征，对光谱的分析，能够极大的丰富我们对太阳等离子体环境和等离子体释能过程的认知。