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太阳|拍了拍你，去爬山吗？

首先 ， 我们要鼓足勇气 ， 正视爬山——
·爬山 ， 是一种体育运动；
·爬山 ， 既锻炼身体 ， 又陶冶情操；
·爬山 ， 让我们离太阳更近 ， 能更强烈地感受来自太阳的温暖 。
可是 ， 在爬山过程中 ， 心中又生出很多疑问——
为什么太阳照到身上 ， 会感受到温暖呢？
为什么登上山顶 ， 会更容易晒黑呢？
想知道更多的太阳光谱的故事 ，
那就先听物理老师从著名的光的色散实验讲起 。
1
牛顿和色散的故事
1665年到1666年 ， 因伦敦大瘟疫而被迫“居家隔离”的牛顿同学 ， 并没有停止探究和思考 。 牛顿同学充分利用家里现有器材进行了各种原创性实验 ， 一不小心 ， “光的色散事件”发生了 。
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光的色散实验让我们知道：太阳光并非单色光 ， 而是由多种不同颜色的光混合而成的 。
然而 ， 牛顿所看到的太阳光谱 ， 也只是组成可见光的“红橙黄绿青蓝紫” 。 而实际上的太阳光谱 ， 也不是完美的连续谱 。
所以 ， 在那个时代 ， 人类也只是揭开了太阳光神秘面纱的一个小角 。
2
太阳光谱的真实面孔
完整的太阳光谱究竟是什么样子的呢？经过多年的发展 ， 我们已经得到了更加完整的太阳光谱 。 虽然太阳光谱跨越了高频短波的伽马射线到几千微米波长的微波 ， 但是 ， 约99.9%的能量集中在紫外区、可见光区和红外区 ， 也就是波长在0.15-4μm之间的部分 。
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（太阳光谱|来源：电子发烧友网）
在大气层上界的太阳光中 ， 太阳电磁辐射的能量也是主要集中在可见光部分（0.4-0.76μm） ， 约占太阳辐射总能量的47%；波长大于可见光的红外线（>0.76μm） ， 约占太阳辐射总能量的46%；波长小于可见光的紫外线（
但是 ， 当太阳电磁辐经历了“重重险阻” ， 在被地球大气中的臭氧、水气和其他大气分子的强烈散射、吸收之后 ， 在地面上所观测到的太阳辐射波段范围就变成了0.295～2.5μm左右 。
在这个时候的太阳光谱中 ， 可见光部分所占的能量稍有降低 ， 而红外线部分所占的能量略有上升 ， 紫外线部分所占的能量也随着太阳高度角的降低逐渐趋近于零 。
3
赫歇尔和红外的故事
赫歇尔（Friedrich Wilhelm Herschel ， 1739-1822）是英国的一位天文学家、物理学家 。 1781年3月 ， 擅长磨制镜片制作的天文望远镜的赫歇尔 ， 将镜头对准了双子星座 ， 意外的发现了太阳系的第七颗行星：天王星 。
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于是 ， 声名鹊起的赫歇尔给天文爱好者制作了大量的天文望远镜 ， 供其观察使用 。 可是 ， 有些人在通过望远镜观测星体时 ， 眼睛产生了异常强烈的灼痛感 。
“不同颜色的光携带的能量是不是不同？哪种颜色的光产生的热效应最强？ 。。。 ”带着许多疑问 ， 1800年 ， 赫歇尔设计了一个实验 ， 探究组成太阳光谱的不同颜色的光的热效应 。
赫歇尔想到1666年牛顿用三棱镜将太阳光色散成不同颜色的光的实验 ， 他也这样做了 。 他将太阳光用三棱镜色散之后 ， 将温度计放置在不同颜色的色带处 ， 试图测量经过不同颜色的光辐照后的温度 。
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（发现红外线的实验|来源：b2b.88360.com）
实验结果产生了出乎意外、难以解释的现象：在红光以外的部分 ， 温度计测出了很高的温升 。 赫歇尔断定：在红光之外 ， 还存在着我们看不见的光 。 他将其命名为“红外” 。
现在 ， 我们知道了：红外线是频率介于微波与可见光之间的电磁波 ， 波长在760nm到1mm之间 。 根据波长 ， 红外线被分为：近红外NIR ， 中红外MIR ， 远红外FIR 。 在不同领域 ， 对其有不同的波长划分 。
而且 ， 红外线有着非常广泛的应用场景 ， 不仅在医疗领域大放异彩 ， 人们还根据其性质 ， 制备出了夜视仪、光波炉、热成像仪等仪器设备 ， 为我们的生产生活提供了巨大的便利 。
4
里特和紫外线的故事
对称之美 ， 不仅仅是一种视觉感受 ， 也存在于科学家们对于科学理论的追求之中 。 红光之外存在看不见的红外线 ， 在紫光之外是不是也存在看不见的紫外线呢？
这个问题引起了德国科学家里特（Johann Wilhelm Ritter ， 1776-1810）的兴趣 。 在19世纪之前 ， 人们就已经发现 ， 氯化银、溴化银经过加热或者光照之后 ， 会析出黑色的银颗粒 。
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（里特|来源：百度百科）
直到1801年的一天 ， 里特设计了一个实验：他用三棱镜将太阳光色散之后 ， 获得了可见光光带 。 在可见光以外的成份 ， 他将一张纸片蘸了少许的氯化银（一说是溴化银）溶液 ， 然后把纸片放在经棱镜色散后的紫光的外侧 。
过了一会儿 ， 意料之中的事情发生了：蘸有氯化银部分的纸片变黑了 。 这个现象说明：蘸有氯化银的纸片一定是受到了一种看不见的射线的照射 。
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(发现紫外线的实验）
为了强调这种光线是通过化学反应实验证明存在的 ， 里特将这种光线命名为“去氧射线” ， 直到1802年才正式更名为“紫外线” 。
现在 ， 我们对紫外线有了更加全面的认识 。 紫外线是波长为10-400nm的光线 ， 根据其波长可以分为4种：低频长波UVA ， 波长320-400nm；中频中波UVB ， 波长280-320nm；高频短波UVC ， 波长100-280nm；超高频EUV ， 波长10-100nm 。
自然界中 ， 最主要的紫外线光源就是太阳 。 但当太阳光透过大气层时 ， 波长短于 290nm 的紫外线被大气层中的臭氧吸收掉了 ， 所以在地面上能接受到的紫外线主要是低频长波和中频中波部分 。
紫外线能够使照相底片感光 ， 也具有杀菌、消毒的作用 ， 在医学上也常被用作治疗皮肤病的手段 。 但人类皮肤对紫外线是比较敏感的 ， 接触过量的紫外线会使皮肤受到伤害 。 所以在室外 ， 日常防晒工作必不可少 。
5
没那么连续的太阳光谱——暗线
早在1802年 ， 刚刚放弃行医 ， 改行科研的英国物理学家沃拉斯顿（William Hyde Wollaston ， 1766-1828）就发现了这些存在于光谱中的一根又一根暗线 。 但是 ， 这些暗线并没有引起他过多的注意 。
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直到1814年 ， 德国物理学家夫琅和费（Joseph von Fraunhofer ， 1787-1826）又在实验中发现了这种颠覆了“太阳光是连续光谱”认知的暗线 。
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在经过色散的太阳光光谱中 ， 他发现了许多暗线 。 由于具有多年从事光学仪器制造的经验 ， 他很快意识到：这些暗线的产生 ， 是由于某种元素对特定波长的光“选择性吸收” 。
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（夫琅和费线|来源：仪器信息网）
由于特定元素能够专门吸收特定波长的光 ， 我们可以通过分析哪些光被吸收了 ， 来了解光线在经过的路上都遇到了什么元素 。 由此 ， 一个名叫“原子吸收光谱”的学科 ， 即将悄悄诞生 。
不幸的是 ， 夫琅和费因为长期从事玻璃制造工作 ， 导致了重金属中毒 ， 39岁便与世长辞了 。 夫琅和费在他短暂却辉煌的一生中 ， 一共发现了574条暗线 ， 这些线也被命名为“夫琅和费线” 。
6
什么是生命光线？
在太阳光谱图中 ， 我们发现了一个有意思的光波段 ， 它有一个非常拉风的名称——生命光线 。
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（太阳光谱|来源：腾讯新闻）
我们都知道 ， 在特定的介质中 ， 光速是相同的 ， 与波长无关 。 假设光速用c表示 ， 频率为f ， 波长为l ， 则三者的关系满足：l=c/f 。 即波长越长 ， 频率就越低 。
然而 ， 每个光子的能量都是频率的正相关函数 ， 即：E=h·f 。 其中 ， h是普朗克常量 ， h=6.63x10^-34j·s 。 所以 ， 在组成可见光的七种颜色的光中 ， 红光的能量比紫光低；在紫外、可见光、红外三种电磁波中 ， 红外线的能量最低 。
因为能量较低的红外线的能量正好处于分子振动的能级 ， 根据能量守恒定理 ， 原子、分子吸收了红外线的能量后便会震动加剧 ， 内能增加 ， 温度也就随即升高了 。
根据物理学中两种相同频率的波能够形成共振 ， 波长为8-15μm的远红外线通过皮肤及皮下组织 ， 能够与人体组织细胞中的水分子产生共振吸收的现象 ， 从而加速血液循环、提高免疫力 ， 产生促进人体健康的效果 。 因此 ， 波长约在8-15μm的红外线也被称为生命光线 。
7
一起去爬山吗？能晒黑的那种
我们发现一个有趣的现象 ， 处于海拔比较高的地方的人 ， 普遍比处于同纬度低海拔地区的人要黑一些 。
甚至 ， 在艳阳高照时爬山溜一圈 ， 也很容易被晒出一身黝黑 。 其实 ， 这主要是紫外线中的低频长波UVA作祟的结果 。
在海拔高的地方 ， 尤其是大气层稀薄的地方 ， 波长约为320-400nm的UVA的穿透能力很强 ， 到达地表的也更多 。 当其接触人体真皮层后 ， 就会直接激发黑色素细胞产生黑色素 ， 皮肤也就随之变黑了 。
所以 ， 暑期将至 ， 如果想在晴空万里、艳阳高照的日子里爬山 ， 一定一定要做好防晒哦～～
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（素材来源：搜狐网）
参考文献：
[1] 气象百科：太阳光谱 。
[2] 太阳光谱的探索[DB/OL]. 2018-02-26. https://wenku.baidu.com/view/
e25d4510a36925c52cc58bd63186bceb18e8ed01.html.
[3] 曾理. 关于不同海拔的太阳辐射计算[D].中国科学技术大学,2015.
[4] 顾吉林. 典型天气大气辐射传输特性研究[D].大连海事大学,2012.
[5] 王亚吉. 太阳辐射光谱的测量与应用研究[D].南京信息工程大学,2011.
【太阳|拍了拍你，去爬山吗？】[4]金婧. 山上和海边哪里比较容易晒黑?[J].新知客, 2006(9).69.


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