太阳大气从里向外依次为光球层、色球层和日冕层。我们用肉眼和普通望远镜所看到的太阳，是大气的光球层，光球层极薄，厚度大约只有500公里。光球上面是色球层，厚度约有2000公里。日冕是太阳大气的最外层，形状不规则，并且经常变化，厚度可达几个以至十几个太阳半径。色球和日冕只有在发生日食时，或借助仪器才能看得到。在日冕层外面，就是广漠的行星际空间了。
人类对太阳大气物理性质的认识，是从太阳光谱开始的。1672年，牛顿让一束太阳光穿过一块三棱镜，发现原来的一束白光扩展成一条美丽的彩带，依次显示出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色，这就是太阳的光谱。太阳光谱并不是一条连续光谱，而是在光带上叠显出许多暗黑的细线，它是一种吸收谱线，又称夫琅禾费线。那么，这些谱线是怎样产生的呢？它们又带来了哪些信息呢？
1870年，可希霍夫发现的三条定律，给光谱分析奠定了基础。可希霍夫三定律是：（1）炽热的物体（无论是固体、液体，还是高稠密的气体）发出连续光谱；（2）低压稀薄炽热气体发出某些单独的明亮谱线；（3）较冷的气体在连续光源前面产生的吸收谱线，即在连续光谱的背景上留下的暗线。各种元素给出波长不同的谱线。对于同一种气体来说，它在炽热状态下发出的明线与它在较冷时在连续背景下留下的暗线，波长正好相等。运用这些规律，可以了解到太阳大气中的高温气体产生连续光谱，而大气中个别元素的原子或离子在一定波长处吸收连续光谱的能量，形成夫琅禾费线。例如，钠原子造成D1、D2线，一次电离的钙离子造成H、K线。
谱线的产生与原子的结构有关。在一个原子中，电子围绕原子核做圆周运动，在愈靠近原子核的轨道上，电子的能量愈小，愈远离原子核的轨道上，电子的能量愈大。当电子由外层轨道向内层轨道跃迁时，释放能量，这时就会产生发射谱线。反之，当电子由内层轨道向外层轨道跃迁时，吸收能量，这时就会产生吸收谱线。经过长期探索，天文学家断定，连续光谱主要是太阳大气中的负氢离子造成的。所谓负氢离子是指俘获一个电子的氢原子。
这里存在一个问题，按照常理，在高温环境中，氢原子发生电离，应该失去核外电子才对，怎么可能还俘获一个电子呢？“负氢离子”说的依据是原子的辐射机制，因为只有俘获的电子，才能实现由外层高能级轨道向内层低能级轨道跃迁，释放能量，产生发射谱线。而氢原子电离，核外电子是由内层低能级轨道向外层高能级轨道跃迁，只能产生吸收谱线，不能产生发射谱线。
在原子物理学中，把核外电子由外层轨道向内层轨道跃迁，释放能量，称为自发辐射。研究发现，自发辐射具有一定局限性，不能完全概括原子的发光机制；为此，在形态场假说中，对物体升温产生的热辐射现象，提出了一种反自发辐射机制：核外电子从外界获得能量，在由内层轨道向外层轨道跃迁的过程中，将辐射出电磁波，称这一辐射机制为激发辐射（参见第一章《原子的发光机制》一节）。激发辐射打破了自发辐射的限制，指出太阳的连续光谱，是太阳大气中的氢原子在电离过程中形成的。太阳大气中有氢原子，以及氢原子电离后产生的氢原子核（质子）和电子，不存在负氢离子，显然，这一推论与观测事实相吻合。
太阳光谱给我们带来许多具有价值的信息，其中，太阳的化学组成就是通过光谱来确定的。把数以万计的夫琅禾费线与已知元素进行比对，现已确认太阳上有六十多种化学元素，氦元素最早就是在太阳大气中发现的。要知道在一百多年前，如果有人想测定天体的化学成分，是会遭到嘲笑的，这怎么能办得到呢？法国哲学家孔德就是一位典型的不可知论者，他在1842年写道：无论什么时候，无论什么情况下，我们都不能了解天体的化学成分。他的讲的话刚满十年，天文工作者就开始用光谱分析的方法研究恒星的化学组成了。
温度是太阳大气的一个重要物理参数，测量太阳表面温度有好几种方法。根据物理学的斯特藩定律，一个黑体的辐射能量与它的温度的四次方成正比。太阳的表面并不是绝对黑体，但也和黑体差不多。把这条定律应用于太阳，根据太阳的辐射能量求得它的表面温度是5770K。用这种方法测定的太阳表面温度，称为“有效温度”。
随着温度的升高，一个黑体发出的辐射不断地在变化。一方面是总辐射量增大，另一方面，辐射能量最高峰的波长不断缩短。维恩定律指出，物体温度越高，辐射最强的波长越短，即从红色光向蓝紫色光移动。用公式表示为:
λT = 常数 = 0.2898（厘米·K)；
其中：λ为辐射最强的波长，T为温度。用光谱仪测出太阳能量随波长的分布，根据分布曲线求得的太阳表面温度也是5700多度。按照这一方法测定的太阳表面温度，称为“辐射温度”。
色球光谱是在1870年一次日全食时首次拍摄的。因为是在全食前后短暂时间内闪现，所以称为闪光光谱。过去天文学家们认为，闪光光谱就是光球光谱的翻版，只是前者是发射线，后者是吸收线，这就好像照片和底片正好相反一样。因此，以前把色球叫做“反变层”，意思是在这一气层里发射线都变成了吸收线。
但是，从二十世纪三十年代开始的精密测量，使天文学家抛弃了这一概念，因为色球光谱并不是正好是光球光谱的翻版，它们之间有一系列差异。例如，前者有几十条氢的巴尔末线，而后者只有寥寥数条；前者有不少氦线，而后者只有一条10830埃的红外线，至于中性氦的D3线，电离氦的4686埃等连影子都找不到。此外，色球有铁、钽、锶和稀土元素的离子谱线，而光球谱线一般都属于中性原子。这些情况告诉我们，色球和光球的光谱并非恰好正负对应，它们是在不同的物理条件下产生的。[3]
色球有许多离子谱线，甚至还有电离氦线，氦原子是一个稳定的原子系统，发生电离需要极高的温度。这意味着，色球比光球更热，因为温度愈高，原子愈容易电离。据此推算，色球底层约为一万度，高层可达好几万度。就是说，太阳内部温度自核心向外呈现出逐层递减的趋势，而到了色球层则一反常态，外层温度比内层还高，出现了逆向升温现象。
日冕是延伸在日面外围的一大片辉光，它的色泽清白、淡雅。日冕可分为内冕、中冕和外冕三层，外冕很透明，带有苍穹的蔚蓝色。日冕的形状与太阳活动有关。在太阳活动峰年，日冕大致是圆的，并有很长的射流伸向远方；而在太阳活动谷年，日冕变扁，在赤道面附近突出，并在两极区域有羽毛状的光芒。
日冕的光谱分析，内冕能发出暗弱的连续光谱加上若干条发射线谱。这个连续光谱并不稀罕，它的能量分布与光球光谱相似，但日冕发射线却非常奇特。在过去较长的一段时期里，它们对光谱专家是完全陌生的，在实验室里根本找不到这些波长的谱线。天文学家一度认为，日冕发射线属于一种神秘的新元素，但是直到元素周期表逐渐填满，也没有找到这种虚拟元素的位置。后来有人认为，它应该是某些已知元素在特殊情况下发出的反常谱线。1942年，一位瑞典光谱学家艾德伦发现，日冕线属于极高度电离的离子。例如，最强的日冕绿线5303埃，是十三度电离的铁（用符号FeXIV表示）产生的。日冕发射线的认证是太阳物理学的一个重大突破。
为什么日冕含有电离度很高的离子呢？为什么内冕光谱中夫琅禾费线会消失呢？一般认为，原子电离程度与温度有关，温度越高，粒子碰撞越激烈，越容易失去核外电子。计算表明，要想使日冕中的元素发生高度电离，需要一、二百万度的高温。同样，由于电子散射，谱线会变得模糊不清，要使最强的夫琅和费线在太阳光谱中被“清洗掉”，也需要有上百万度的高温。总之，日冕层比色球层还要热，温度已上升至上百万度了。
究竟是什么原因造成了太阳大气这种反常增温，仍是太阳物理学中多年来未解决的最重要问题之一。在过去数十年中，对色球层和日冕反常高温的原因进行了许多研究，提出了声波加热机制、激波加热机制、阿尔文波加热机制、波与粒子的非共振湍动加热机制等，但是，这方面的理论研究仍处于探索阶段。
太阳大气反常增温现象，是根据太阳光谱中的一些特殊谱线推导出来的；那么，除了温度以外，难道就没有其他因素可以导致原子发生电离吗？下面就从太阳磁场作用的角度，来探讨这一问题。
太阳大气与地球大气不同，地球大气均为弥漫状流动气体，而太阳大气除了光球层以外，色球层和日冕层大气都是高温等离子体。这些等离子体不是光球气体的挥发物，而是来源于对流层气体的耀斑爆发和日珥喷射，这部分物质基本以质子、电子和离子为主，统称高能带电粒子。
高能带电粒子之所以能够滞留于色球层和日冕层中，主要缘于太阳整体磁场的作用。根据电磁学理论，带电粒子在磁场中运动，磁场将对电荷产生洛伦兹力的作用，洛伦兹力公式为F=qvB，（q是带电粒子的电荷量，v是带电粒子的速度，B是磁场强度），洛伦兹力的方向垂直于粒子的运动方向。因此，在太阳整体磁场作用下，从耀斑和日珥喷射出来带电粒子并不会径直射向宇宙空间，而是在太阳整体磁场作用下，向日面发生偏转，形成圆弧形运行轨迹，半径为：R=mv/qB ，这就是天文观测发现的日冕圈。
TRACE卫星传回的图片资料显示，日冕圈处于太阳日冕低处的基础结构和过渡区，经由色球层穿越过渡区延伸入日冕的高处，在日冕圈的顶部则是开放区，日冕圈的足点可以看见太阳黑子。可见，色球层和日冕层大气是由许多环状物质圈构成的，与流动的地球大气形态存在着巨大差异。
到目前为止，我们所讨论的是一个离子的外部运动行为，它构成了太阳大气的基本存在模式。然而，对于离子内部来说，太阳磁场不仅对原子核产生作用，而且还会对核外电子产生作用。具体地说，原子核与核外电子之间，存在着质量场和电场双重作用，其中质量场作用就是磁场作用。核外电子所受到的太阳磁场作用力，与原子核吸引力的方向正好相反。相当于太阳磁场作用削弱了原子核与电子的吸引力，表现为原子的电离能减小。就是说，太阳磁场能够对核外电子产生剥离作用，随着作用力程的增加，原子将失去越来越多的电子，简称磁场剥离效应。这就是色球层和日冕层中的原子发生强电离和高度电离的原因。
实现电子剥离的条件是，原子核磁场强度与太阳整体磁场强度相当，在同一数量级。以往理论研究认为，日冕的磁场强度在1～100高斯之间，随距日面的距离的增大而减小。其实这一说法是不准确的，按照太阳形态场模型的观点，日冕磁场与太阳的星际磁场一样，是太阳整体磁场在空间上的延续，不是日冕中的带电粒子形成的，磁场强度与距离平方成反比关系。据此推算，内冕磁场强度应该在0.1特斯拉左右，原子核磁场与之在同一数量级。
色球层主要构成物质是质子、电子和离子，在太阳磁场作用下，原子的核外电子只能由内层轨道向外层轨道跃迁，按照激发辐射机制产生辐射。因而，在色球层没有产生预期的吸收谱线，氦和铁、钽、锶和稀土元素等离子发生强电离，产生了各种离子谱线。
日冕的可见光波段的连续辐射，是日冕物质散射光球的连续辐射的结果，因而日冕连续光谱的能量分布与光球很相似。白光日冕可分为K、F和E三部分。K日冕在太阳附近，发出纯粹的连续光谱；F日冕离太阳远一些，发出含吸收线的光谱；E日冕则是发射线光谱。这三个成分是怎样产生的呢？
K日冕，在 2.3太阳半径以内，由自由电子散射光球的连续光谱。以往理论研究认为，高温使电子做快速运动，由于多普勒效应，夫琅禾费线都被“洗掉”，只剩下连续光谱。其实，K日冕和色球一样，夫琅禾费线不是被“洗掉”，而是没有机会产生吸收谱线。
F日冕，在2.3太阳半径以外，起源于黄道面内行星际尘埃粒子散射光球的光，它的光谱中有夫琅禾费线，F冕又称“内黄道光”。需要考虑的一种可能性是，在洛伦兹力作用下，日冕圈内的正、负带电粒子运动方向正好相反，它们在日冕圈顶部交汇，结合生成中性原子。中性原子散射光球的连续光谱，可以产生吸收谱线。
E日冕，又称L日冕，亚稳态金属离子剥离核外电子产生的发射线光谱，被称为日冕禁线。
一段时期以来，天文学家们是根据太阳光谱测定太阳大气温度的，在观测中发现，色球层和日冕层出现了异常电离情况，并把这种电离的原因归结为是由高温引起的；因而得出了色球层和日冕层温度畸高的结论。实际上，这是太阳磁场产生的一种作用效应，与温度没有关系，太阳大气层并不存在逆向升温现象。
在耀斑爆发过程中，从日面发射出来的高能带电粒子运动方向各异，垂直于磁力线的高能带电粒子形成了日冕圈，而与磁力线存在倾角的高能带电粒子，则和日珥喷射物一起以螺旋轨迹向整体磁场的两极运动，最终脱离日冕层进入太空演变为太阳风。
观测证明，太阳风和日冕的组成成分完全相同，氢73%，氦25%，还有一些其他痕量杂质。用X射线或远紫外线拍下的日冕照片上可以观察到，在日冕中长期存在着大片的长条形的或是不规则行的暗黑区域，这里的X射线强度比其他区域要低得多，从表观上看就像日冕上的洞穴，被形象地称之为冕洞。冕洞实则就是喷射高能粒子流的磁场开放区，以螺旋轨迹运动的高能粒子流就是通过这条通道出口进入星际空间的。
需要说明的是，在日冕层存在着一个特殊的磁场“走廊”，它是由整体磁场和普遍磁场异性磁极联接而成。由于整体磁场磁极强度为场强为0.1～0.2特斯拉，普遍磁场强度为1×10-4～3×10-4特斯拉，整体磁场强度大于普遍磁场；因而，这个磁场走廊在太阳的南极或北极一端开放。如果高能带电粒子流进入这个磁场走廊，将在极地的开放端释放出去，那么，冕洞就会出现在太阳两极的磁极附近，即极区冕洞。如果高能带电粒子没能进入这个磁场走廊，而是沿着整体磁场的磁极方向释放出去，那么，冕洞就会出现在太阳赤道附近，即赤道冕洞。除此以外，还有些冕洞从南极或北极一直延伸到赤道附近，等其他类型冕洞。冕洞的面积可以缓慢地变大或缩小，但是它们在太阳表面上的位置变化不大，随着太阳自转，延伸型冕洞27天旋转一周，所以地球上的磁暴呈现出27天的周期。
联系客服
