重金悬赏太阳表面温度！

如今，太空中的探测卫星源源不断地将太阳观测数据传送下来，我们可能很难想象，当年的人们需要花费多年的努力才能获取到一丁点关于太阳的可靠信息。

然而，尽管取得了诸多进展，一个有着上百年历史的基本问题尚未得到解决。太阳产生的总能量是多少，它真的是恒定的吗？答案仍然令人难以捉摸。现在，太阳能量输出（即太阳总辐照度，英文缩写为 TSI）的确切数值是气候建模和全球能量平衡计算的重要一环，因此了解这颗离我们最近的恒星如何工作就变得更加重要了。

冉冉升起的恒星 尽管太阳离地球相对较近，但是在十九世纪的大部分时间里，天文学家对我们的这颗恒星仍然缺乏基本的了解。即使是明显的特征也无法解释，比如这张引人注目的日出照片中显示的太阳黑子。尽管技术取得了进步，但太阳仍然拥有许多秘密。

在十九世纪的大部分时间里，人们对太阳如何工作几乎一无所知。没人知道太阳黑子、光斑、日珥或者太阳内部任何事物的成因。即便是最明显的问题也能成为令人头疼的难题。太阳的热量是如何产生和维持的？它是稳定的还是变化的？它会持续多久？最明显的问题是，太阳有多热？1876 年，法国巴黎科学院发布悬赏，任何能够确定太阳表面温度的人可以赢得数千法郎以及国际声望。一场比赛由此开始。

/ 热身运动

一种早期的、有前途的方法是将太阳光直接聚焦在一个装有水（或其他液体）的容器上，并计算加热所需的时间。太阳如果温度高的话，就会比温度低时更快地加热液体。1837 年，英国天文学家约翰 · 赫歇尔（John Herschel）在南非好望角测试了这一概念。同年，物理学家克劳德 · 普耶（Claude Pouillet）在法国所做的实验表明，1.76 克水在阳光下一分钟内升温 1°C（也可以表示为每平方厘米每分钟 1.76 卡路里）。他将这一数值命名为" 太阳常数 "。

测量太阳 法国天文学家克劳德 · 普耶在早期尝试测量太阳常数时使用了太阳热量计。该装置由一个可加热少量水的暗板（指向太阳）组成，水的温度由内置的温度计测量。

这是一个开始，但是数据只有结合其背景才有意义。只有长期反复的实验才能揭示太阳常数到底是不是常数。这就带来两个直接的问题。首先是地球大气，我们人类生活在波涛汹涌的大气海洋的底部。这对结果会有什么影响？世界不同地区、海拔、天气条件和时间又将如何影响结果？第二个主要问题是，直到十九世纪晚期，还没有办法在数学上由地球上测量的热量值推导出太阳表面温度的可靠值。

即使想要解决这些问题中的第一个，也是一项艰巨的挑战。早期的研究人员认为，这项任务只需要确定太阳光在到达他们探测器之前减弱的程度。对大气总吸收量的估计从约 30% 到这个值两倍多都有，导致对太阳表面温度估计值也是五花八门。这显然不太对劲。

问题的关键隐藏在太阳光的七彩颜色中。早在 1814 年，德国光学仪器专家和物理学家约瑟夫 · 冯 · 夫琅和费（Joseph von Fraunhofer）就在使用他发明的分光镜研究太阳光，但是当时没人知道分光信息如何（甚至是能否）揭示太阳的温度。

夫琅和费的太阳光谱呈现出一个由强度不等的暗线组成的迷人森林。如果以波长和强度分别作为 X 轴和 Y 轴绘图，会得到一个圆弧形的曲线，中间偶尔被陡峭的下降所打断。当阳光穿过地球大气时，吸收特征（也就是地球大气谱线）会叠加在光谱上，其中最突出的是大气中的水蒸气、二氧化碳、氧气和臭氧的谱线。揭示太阳常数意味着能够将地球大气谱线与太阳大气中固有的谱线区分开来。为此，必须在每个波长处计算地球大气的透射系数。这是一项艰巨的任务。然而，对于太阳研究的未来来说，时机是幸运的——美国史密松天体物理台 ( SAO ) 的两位太阳物理先驱者已经完全准备好解决这个问题了。

山顶小屋 这座位于加利福尼亚州惠特尼山海拔 14502 英尺（译注：约为 4420 米，为美国本土最高峰）山顶的石钢结构小屋是阿博特收集数据以追猎太阳常数的地点之一。这座小屋建于 1909 年，今天仍然伫立在那里，经常被徒步旅行者用来休息。

/ 志同道合

史密松天体物理台的创始人、富有远见的科学家和航空爱好者塞缪尔 · 皮尔庞特 · 兰利 ( Samuel Pierpont Langley ) 一直被太阳研究所吸引。确定我们星球的大气层对太阳光的吸收程度将成为兰利对天文学的第一个重大贡献。

1881 年，他发明了一种被称为测辐射热计（bolometer）的设备，用于测量不同波长处的太阳热量。这是一项至关重要的创新，因为就像天空是蓝色的、落日是红色的一样，大气的吸收和散射随着波长的变化而发生巨大的变化。兰利在美国加利福尼亚州惠特尼山的高处测量阳光，获得了基于 12 个选定波长的太阳辐射曲线，并得出了每平方厘米每分钟 2.54 卡路里的太阳常数——比普耶测的 1.76 要高。兰利的研究结果很粗略，但他的目的是建立概念，并证明他逐个波长测量大气透射的方法是计算太阳常数的可行方法。

接下来，兰利最需要的是寻找有能力的合作者，帮助他的工作更上一层楼。他有幸遇到了一位才华横溢、拥有独门绝技的新英格兰人。他们的人生之路在麻省理工学院 ( MIT ) 的一间地下实验室交会了。

很难想象有哪两个人的外表能像塞缪尔 · 皮尔庞特 · 兰利和查尔斯 · 格里利 · 阿博特（Charles Greeley Abbot）这样差异巨大，前者温文尔雅、衣冠楚楚，后者则是粗犷的农场男孩。阿博特 1872 年出生于美国新罕布什尔州的威尔顿，他在农舍长大，那里除了厨房和有着大壁炉的客厅，所有房间都冷得要命。楼上是他的伯祖父留下的藏书，这位伯祖父是发明家。星期六，阿博特很高兴 " 偷偷溜到楼上的北极房间 "，翻开那些满是灰尘的书籍，阅读关于钟表和詹姆斯 · 瓦特双作用冷凝式蒸汽机的工作原理。阿博特后来写道，" 为了弄明白这些东西的原理，我宁可几个小时都冻得直打哆嗦。" 或许，后来研究热成为他毕生的事业也就不足为奇了。阿博特是个好奇的修补匠，小时候用厨房的炉子作为喷灯为家里焊锅，13 岁时他建造了一个锻造炉来修理农具。

太阳先驱者 这是一张查尔斯 · 格里利 · 阿博特在 1913 年到 1917 年间的某个时候带着他的银盘太阳热量计的照片，这是一种用于测量太阳辐照度的设备。与测量不同波长辐射强度的测辐射热计不同，太阳热量计测量太阳辐射的总量。

阿博特未来的职业一定程度上是由偶然因素决定的。他中学就读于美国马萨诸塞州安多福的菲利普斯学院。有一天，他的一些同学决定去波士顿参加麻省理工学院的入学考试。阿博特和同学一起坐火车到了波士顿，因为不想一个人在城里闲逛，他心血来潮决定也去考考试试。阿博特轻松通过了考试并被麻省理工录取，最终以优异成绩从物理学专业毕业。

在麻省理工读研究生的时候，阿博特遇到了衣冠楚楚的兰利，他碰巧路过这里想要给自己找个助手。" 你想不想看看我的实验？" 阿博特问道。" 我应该会非常喜欢，" 兰利回答道。他们聊了一会儿，并毫无疑问地感受到了志同道合，兰利聘请了这位和蔼可亲的发明家。这个男孩不久前还在制造自行车和水磨坊，很快就会制造出非常灵敏的科学仪器。

1895 年，阿博特来到史密松天体物理台工作，他的第一个任务是帮助兰利绘制太阳红外光谱中的夫琅和费线。兰利很快就发现了这个年轻人在使用精密仪器方面的天赋，并立即让他作为合作者参与测量太阳辐射强度的重要工作。随着时间的推移，兰利的兴趣又转向新兴的航空领域，于是让阿博特负责太阳研究工作。

阿博特制造了两台用于探测太阳热量的仪器。第一个是普耶使用的太阳热量计（pyrheliometer），这是一种奇怪的温度计，配有一端涂黑的银盘，用于指向太阳。该设备跟踪天空中的太阳，测量太阳辐射的光在穿过不同厚度的地球大气层时的变化。第二种仪器是兰利测辐射热计的改进版本，它本质上是一根导线，当特定波长的辐射被棱镜分光之后指向它时，它的电阻会发生变化。阿博特让整个太阳光谱扫过导线，由此可以绘制出强度对波长的太阳辐射输出曲线。

阿博特在多个天顶角方向上收集了 44 个不同波长的太阳辐射和大气透射数据，然后通过数学方法外推这些信息以确定地球大气层外的辐射值。1908 年，阿博特分析了他的数据，发现太阳常数的平均值为 2.01 卡路里，相当于每平方米约 1403 瓦。到了 1915 年，通过观测数据的积累和方法的改进，阿博特将这个数字修正为 1.93 卡路里——接近 1.95 或每平方米 1361 瓦的现代值。

塞缪尔 · 皮尔庞特 · 兰利是一位富有远见的太阳科学家和早期航空发烧友，他曾经写道：" 观测太阳向地球发出的热是天体物理学中最重要和最困难的任务之一。" 在担任美国宾夕法尼亚州阿勒格尼天文台第一任台长期间，兰利使用天文台的 13 英寸菲茨 - 克拉克折射镜详细绘制了 1873 年 12 月穿过太阳表面的一个 " 典型 " 的太阳黑子。

让人悲伤的是，阿博特的伟大导师塞缪尔 · 兰利于 1906 年去世，无法看到好伙伴阿博特努力的成果。尽管兰利在太阳物理学方面的早期成就举足轻重，但是他对早期航空业的巨大贡献更为人们所铭记。有几个重要设施以他的名字命名，包括位于美国弗吉尼亚州的兰利空军基地和美国航天局兰利研究中心。