太阳除了光，还送来了什么？

《阳光是什么颜色？》里说，阳光从太阳表面出发，8 分 20 秒左右到达地球。可太阳送来的，不只是光。每一秒钟，都有几百万亿个来自太阳中心的粒子穿过你的身体；还有一股看不见的「风」，从太阳一路吹到地球。2024 年 5 月，这股风猛地一吹，芝加哥、纽约，一直到美国南方，很多人都在自家后院看到了极光。

先猜一猜

常听到的说法有：「太阳给地球的，就是光和热」；「极光是阳光照在极地的冰雪或者云上，反射出来的」。

都不对。太阳除了光，还送来两样东西：一样是中微子，几乎不和任何东西打交道，穿过我们、穿过整个地球，就像什么都没有；另一样是太阳风，一股带电的粒子流，极光就是它和地球的磁场、大气一起造出来的，和阳光的反射没有关系。

太阳中心发生了什么

太阳的能量来自中心的核聚变：在 1500 万度的高温下，氢原子核（就是质子）一步步合成氦原子核，放出能量。

最主要的一条路叫「质子—质子链」：两个质子撞在一起，其中一个变成中子，合成氘（重氢），同时放出一个正电子和一个中微子；氘再抓住一个质子，变成氦-3；两个氦-3 撞在一起，变成一个氦-4，把两个质子放回去。算总账：四个质子变成一个氦原子核，放出两个中微子。这条链有几条岔路，岔路上会产生锂、铍、硼这些原子核，转眼又变成氦，同时放出能量更高的中微子。太阳约 99% 的能量来自质子—质子链；另外约 1% 来自「碳氮氧循环」，碳、氮、氧的原子核在里面像催化剂一样，帮着把氢变成氦，自己并不消耗。2020 年，意大利的 Borexino 实验第一次测到了这个循环放出的中微子。

合成的氦，就留在太阳中心，越积越多，像炉膛里的灰。1500 万度还烧不动氦：氦原子核要到大约 1 亿度才能聚变成碳。再过约 50 亿年，中心的氢用完，太阳会膨胀成一颗红巨星，那时中心才热到能烧氦。

光和中微子在同一个地方出生，走出太阳的路却完全不同。

光在太阳里会不会被吸收掉？会，而且一路上不停地被吸收。太阳内部非常稠密，中心的光是 X 射线，走不了多远就被电子散射、被原子核和电子吸收，再朝随便一个方向发出去。能量并没有丢，只是被一次次转手；严格地说，每次发出来的已经是新的光。越往外温度越低，转手出来的光能量也越低，到了表面，就成了我们看到的可见光。

这样东一步、西一步地走，叫「随机行走」。上面的模拟数了一下：半径是步长的 32 倍，平均要走 1000 多步才出得来，正好是 32 × 32。在平面上走、在立体的球里走，结果都一样。规律是：要走的步数 =（半径 ÷ 步长）²。

太阳的半径是 70 万公里。如果每一步是 1 毫米，步数就是（7 千亿毫米）²，约 5 × 10²³ 步，就算每一步都用光速，也要走 5 万年。按细致的太阳模型估算，能量从中心挪到外层，大约要 17 万年。今天照在你脸上的阳光，它的能量在太阳中心出生的时候，现代人的祖先还生活在非洲。

中微子不用走这么一大段弯路。它几乎不和任何东西作用，从太阳中心一条直线飞出去，以接近光速的速度，约 2.3 秒到达太阳表面，约 8 分 19 秒到达地球。

每秒 650 亿个中微子，穿过你的指甲盖

中微子有多少？可以从太阳的亮度算出来。太阳每秒放出多少光的能量，是测得出来的；每合成一个氦原子核放出多少能量，也是知道的，其中两个中微子只带走很小的一份，剩下的最后都变成了光。用光的总能量一除，就知道太阳每秒合成多少个氦原子核，每个配两个中微子：每秒约 1.8 × 10³⁸ 个。

这些中微子朝四面八方飞。飞到地球的距离，也就是 1.5 亿公里外，它们铺满了一个以太阳为中心、半径 1.5 亿公里的大球面；平均到这个球面上，每平方厘米每秒约有 650 亿个，差不多就是你一个指甲盖那么大的地方。身体迎着太阳的那一面，按半平方米算，每秒有 300 多万亿个中微子穿过。

而且它们日夜不停：白天从头顶来，夜里先穿过整个地球，再从脚底下钻上来。中微子和物质作用得极少，穿过整个地球，被挡下来的不到百亿分之一。它们带走了太阳约 2% 的能量，就这样一直飞进太空。

少了三分之二的中微子

这么难抓的东西，怎么知道它真的存在？1960 年代，美国物理学家戴维斯在南达科他州一座金矿的地下 1500 米，放了一大罐 600 多吨的干洗液。这种液体里的氯原子，偶尔会被中微子撞成氩原子。每隔一两个月，他从这一大罐液体里，把那寥寥几十个氩原子找出来、数清楚。

结果数出来的，只有理论预测的三分之一左右。是太阳模型错了，还是实验错了？这个谜叫「太阳中微子问题」，困扰了物理学家 30 年。

答案出在中微子自己身上。目前知道，中微子有三种：电子中微子、μ（缪）子中微子和 τ（陶）子中微子，名字来自和它们配对的三种带电粒子：电子，和更重的「胖电子」μ 子、τ 子。太阳里的核聚变只产生电子中微子；戴维斯的实验，也只能抓到这一种。2001 年，加拿大萨德伯里中微子天文台用一千吨重水，把三种中微子加在一起数：总数正好和太阳模型的预测一样。原来，中微子在从太阳飞到地球的路上，会变成另外两种，这叫「中微子振荡」。中微子能「变身」，说明它有质量；而粒子物理原来的标准模型里，中微子是没有质量的。

这段故事得过两次诺贝尔物理学奖。2002 年，戴维斯和日本的小柴昌俊获奖，理由是开创性地探测到了来自宇宙的中微子：戴维斯抓的是太阳中微子，小柴昌俊的神冈探测器在 1987 年抓到了一颗超新星爆发放出的中微子。2015 年，日本的梶田隆章和加拿大的麦克唐纳获奖，理由是发现了中微子振荡，证明中微子有质量。

太阳风：每秒吹走 150 万吨

太阳最外层的大气叫日冕，温度有一两百万度，比太阳表面热几百倍。这么热的气体，太阳的引力拉不住，就不停地向外吹，成了太阳风。它主要是质子和电子，还带着太阳的磁场。

到了地球附近，太阳风每立方厘米只有几个粒子，比实验室里最好的真空还稀；可它的速度很快，通常每秒四百公里左右，快的时候每秒七八百公里。按 2024 年一整年的实测平均，太阳风每秒带走约 157 万吨物质。太阳发光，按爱因斯坦的 E = mc²，每秒还要「变轻」约 426 万吨。听起来很多，可按今天的速度，46 亿年加起来，也只有太阳质量的万分之四左右。

地球的磁场：把粒子引向两极

太阳风一路吹到地球，迎面撞上的是地球的磁场。带电的粒子不能随便横穿磁力线，只能绕着磁力线打转，顺着磁力线滑。地球的磁场很像一根条形磁铁的磁场：磁力线从南极附近出来，绕一个大弯，从北极附近回去，于是粒子被一路引向两极。

先说一个词：磁纬。地球的磁场有自己的南北极，它们不在地理的南北极，北边那个磁极在加拿大北部的上空。像量地理纬度一样，以这根「磁轴」为准量出来的纬度，就叫磁纬：磁赤道是 0 度，磁极是 90 度。粒子跟着磁场走，所以说到极光，要看磁纬。

MeV 是「百万电子伏」。电子伏是微观世界常用的能量单位：一个电子被 1 伏的电压加速，得到的能量就是 1 电子伏；可见光的一个光子，只有 2 电子伏左右。能量 1 MeV 的质子，每秒跑约 1.4 万公里，是光速的 4.6%。

模拟里的两个质子，能量一样，只是方向不同。

蓝色那个，从磁赤道出发，离地面约 3.2 万公里。在磁赤道上，磁力线是从南指向北的；它的速度和磁力线斜着成 35 度，所以一边绕着磁力线打转，一边往北（画面上是往上）走。那么高的地方，地球的磁场已经很弱，只有地面的几百分之一；可质子非常轻，这点磁力足够让它绕圈：绕一圈约 0.45 秒，圈的半径约 600 公里。

越往北，磁力线越往一起挤，磁场越强。质子绕的圈就越来越紧、越转越快；它的总速度不变，转圈用掉的多了，沿着磁力线往前走的就少了，到磁纬约 28 度时减到零，被推了回来，就像一个球顺着越来越窄的漏斗往里滚，会被挡回来。这叫「磁镜」。到了南边，同样的事再来一遍。所以它一直在南北之间来回弹，离地面始终在 2.4 万到 3.3 万公里之间，从来碰不到大气。质子跑得这么快，连同绕的圈在内，一个来回要跑十几万公里，也只用 10 秒左右。

动画里，蓝色的轨迹一边弹，一边慢慢往一侧挪：那是它在向西绕着地球漂，8 分钟左右绕一圈，40 秒挪了大约 30 度。模拟里没有让地球自转，因为这样的磁场绕着磁轴是对称的，地球转不转，对它都一样。地球周围困着大量这样来回弹、绕着漂的带电粒子：能量高的形成范艾伦辐射带，1958 年由美国第一颗人造卫星发现；能量稍低的质子向西漂、电子向东漂，合起来就是一圈绕着地球的电流，叫环电流。

红色那个，从磁纬 30 度出发，几乎顺着磁力线走：转圈用掉的速度太少，还没被弹回来，就已经撞上了大气。它 2 秒钟就滑到磁纬 66 度，撞进 100 公里高的大气里（动画里的绿色星星）。

为什么是 66 度？这根磁力线在磁赤道上离地心 6 个地球半径，顺着它落到地面，就在磁纬 66 度。比它更远的磁力线，连着被太阳风吹得又扁又长的磁场外层，落下来的地方大多在磁纬 65 到 70 度。从太阳风「漏」进来的粒子，主要是电子，就顺着这些磁力线落下来，落点围着磁极连成一个圈，叫极光带。66 度只是这根磁力线的落点，和地理上的北极圈（66.6 度）是巧合。

极光主要是电子打出来的。质子也会落下来，形成一种很淡、很弥散的「质子极光」，肉眼一般看不出来。为什么模拟用质子？质子比电子重 1836 倍。同样的能量，粒子绕磁力线的圈的半径，跟它的质量和能量乘积的平方根成正比：1 MeV 的质子在那里绕的圈半径约 600 公里，画出来看得清；形成极光的电子，能量一般是几千电子伏，在同一个地方绕的圈半径只有一两公里，画出来就是一条线。但它们走的是同样的磁力线。

极光带在磁纬 65 到 70 度，所以阿拉斯加、加拿大北部、挪威北部最常看到极光。芝加哥和北京的地理纬度差不多，可芝加哥离北边那个磁极近得多，磁纬约 51 度，北京只有约 31 度。同样一场磁暴，芝加哥看到极光的机会比北京大得多。

太阳也有「天气」

太阳风不是一直这么平静。太阳表面的黑子，是磁场特别强的地方；黑子多的年份，太阳更容易「爆发」，一下子抛出几十亿吨带着磁场的气体，叫日冕物质抛射。它要是正好冲着地球来，一两天就到。

先说图上的两个单位。纳特是磁场的单位纳特斯拉（nT），1 纳特是十亿分之一特斯拉：地面上，地球的磁场大约 3 万到 6 万纳特；冰箱贴的磁场有几百万纳特；太阳风带来的磁场，平时只有几纳特。Kp 指数衡量地球磁场被搅动得多厉害：全球十几个地磁台，每 3 小时量一次地面磁场的方向和大小晃动得有多大，按一张换算表折成 0 到 9 级，再综合成一个数。0 是很平静，5 级起算磁暴，9 是最强的一级；每高一级，晃动的幅度大约大一倍。

黑子数大约 11 年一个周期，这一个周期（第 25 周期）的高峰，按平滑后的黑子数在 2024 年 10 月。就在那年 5 月，太阳上一大群黑子接连抛出好几团日冕物质。5 月 10 日下午（世界时），它们撞上地球：太阳风的速度从每秒 400 多公里一下跳到 700 公里，后来到了每秒 1000 公里；它带来的磁场掉头朝南，最强的时候有 35 纳特。

磁场朝南为什么要紧？地球的磁场在向阳的一面是朝北的，太阳风的磁场朝南时，两边的磁力线会「接」上，太阳风的能量和粒子就大量漏进地球的磁场里，就像两块磁铁对上了口。那一夜，全球地磁 Kp 指数到了最高一级 9，是 2003 年以来最强的一次磁暴，平时只在北极圈附近的极光带，一下子向南扩展了很远。

极光为什么是绿的、红的

落下来的电子撞上高空的氧原子和氮分子，把它们「激发」起来，也就是把能量交给它们，让它们处在一种能量较高、不太稳定的状态。它们回到原来的状态时，就把这份能量变成特定颜色的光放出来，就像霓虹灯。极光的颜色，看的是被撞的是什么原子、在多高的地方，和打下来的是电子还是质子关系不大。

被激发的原子，不会马上放光，要等一会儿；平均等多久，物理上叫这个激发状态的「寿命」。这和放射性元素的半衰期是一类说法：每个原子等的时间各不相同，寿命说的是平均值。

最常见的绿色，是氧原子放出的 557.7 纳米的光，大多在 100 到 150 公里高。这种激发状态的寿命约 0.7 秒，等得不久，很快就放光了。红色也来自氧原子，630.0 纳米，可它的寿命约 110 秒，要等很久。在 150 公里以下，空气比较密，这么长的时间里，它早就被别的分子撞了不知多少次，能量在碰撞中被带走，光也就发不出来了。只有在 200 公里以上的稀薄高空，它才等得到放光的那一刻。所以红光在上面，绿光在下面。偶尔，能量特别高的粒子能打到 100 公里左右，氮分子离子放出蓝紫色的光，极光帘子的下边就带一点紫红。

2024 年 5 月那一夜，很多人发现：手机拍出来的极光，比眼睛看到的红得多、艳得多。夜里光太暗，眼睛主要靠视杆细胞在看，它分不出颜色；而眼睛分辨颜色靠的视锥细胞（见《眼睛只会「数到三」：我们是怎么看见颜色的？》），在暗处几乎不工作。手机的相机曝光一两秒、再把画面调亮，颜色就都出来了。

一句话：太阳送来的不只是光；还有中微子，每秒几百万亿个穿过我们，夜里从脚底下来；还有太阳风，被地球的磁场引向两极，撞上高空的氧和氮，就是极光。

我们怎么知道

• 用中微子拍太阳：日本的超级神冈探测器，在地下 1000 米的矿井里装了 5 万吨纯水。中微子偶尔撞上水里的电子，电子被撞飞的方向，大致指着太阳。把这些方向记下来，就能拍出一张「中微子眼中的太阳」，而且晚上照样能拍，那时中微子正从地球的另一边穿过来。
• 太空里的「气象站」：在太阳和地球之间、离地球约 150 万公里的地方，几颗卫星一直在测太阳风的速度和磁场，上面的数据就是它们测的。太阳风从那里吹到地球，平时要一个小时左右，每秒 1000 公里的时候也要 25 分钟。这就是磁暴预警的提前量。
• 地面的磁针：全世界的地磁台一直在记地面磁场的晃动，Kp 指数就是从这些记录里算出来的。
• 数黑子：从 1610 年伽利略那一代人用望远镜看太阳开始，人们一直在数黑子；比利时皇家天文台汇集了从 1749 年到现在每个月的黑子数。

还不知道什么

日冕为什么比太阳表面热几百倍，到现在还没有完全弄清楚，这叫「日冕加热问题」；太阳风是怎样被加速到每秒几百公里的，也还在研究，美国的帕克太阳探测器正一次次掠过日冕去测量。下一个太阳活动周期会多强，提前几年还很难预报。中微子有质量，可具体是多少，三种中微子哪一种最重，也还不知道，这是粒子物理现在最想回答的问题之一。

进阶：公式、数据和来源

光的随机行走。每一步方向随机、长度为 l，走 N 步以后离起点的距离的平方，平均是 N l²；要走到半径 R 以外，平均要（R/l）² 步，在平面里和在立体里都一样。模拟中每种半径各走 400 次取平均：R/l = 4、8、16、32 时，平面里平均 19、70、266、1007 步，立体里 19、69、270、1047 步，和（R/l）² 的 16、64、256、1024 很接近（步数少时，最后一步会「冲」出边界一点，所以略多）。动画里画的那一次走了 478 步，平均是（1/0.045）² ≈ 494 步。真实的太阳里，越往中心越稠密，光走一步的距离从远小于 1 毫米到一厘米左右不等，所以只能用太阳模型细算：Mitalas 和 Sills（1992）算出能量从中心传到外层约需 17 万年，不同的估算从一万年到十几万年都有。最外面大约 30% 的半径里，能量改由对流带上去，只需要几个月。

太阳里的核反应。质子—质子链的主干是：p + p → ²H + e⁺ + νₑ；²H + p → ³He + γ；³He + ³He → ⁴He + 2p。岔路经过 ⁷Be 和 ⁸B，放出能量更高的中微子（⁷Be 中微子 0.86 MeV，⁸B 中微子最高约 15 MeV，主干的 pp 中微子最高只有 0.42 MeV）。按标准太阳模型，质子—质子链提供约 99% 的能量，碳氮氧循环约 1%；Borexino 在 2020 年测到了碳氮氧循环的中微子。氦聚变成碳（3 个 ⁴He → ¹²C）需要约 1 亿度。

中微子有多少。四个质子合成一个氦核放出 26.73 MeV，其中两个中微子平均带走约 0.59 MeV，剩下的 26.14 MeV 最终变成从表面发出的光。太阳的光度，也就是每秒发出的光的总能量，是 3.828 × 10²⁶ 瓦（国际天文学联合会 2015 年的名义值），这里面不包括中微子带走的能量。所以太阳每秒合成 3.828 × 10²⁶ 焦 ÷ 26.14 MeV ≈ 9.1 × 10³⁷ 个氦核，放出约 1.8 × 10³⁸ 个中微子。它们均匀地飞向四面八方，到地球时分布在半径 1 个天文单位的球面上；1 个天文单位是地球到太阳的平均距离，1.496 亿公里。球面积是 4π × (1.496 × 10¹³ 厘米)² ≈ 2.8 × 10²⁷ 平方厘米，相除得每平方厘米每秒 6.5 × 10¹⁰ 个，和标准太阳模型的结果一致。人体迎着太阳的截面按 0.5 平方米（5000 平方厘米）算，每秒约 3 × 10¹⁴ 个。太阳中微子和电子的散射截面，约在 10⁻⁴⁵ 到 10⁻⁴⁴ 平方厘米之间（随能量增大）；沿地球直径，每平方厘米的截面上约有 2 × 10³³ 个电子，所以穿过地球被散射的概率只有约 10⁻¹² 到 10⁻¹¹。光速走过太阳半径（69.57 万公里）要 2.32 秒，走过 1 个天文单位要 499 秒。

中微子的实验。戴维斯的霍姆斯特克实验（1968 年开始）用 615 吨四氯乙烯，测到的产率约为预测的三分之一。萨德伯里中微子天文台（SNO）2001 年和 2002 年的结果表明，三种中微子加起来的总数和太阳模型相符。2002 年诺贝尔物理学奖授予戴维斯和小柴昌俊，「因为在天体物理学中的开创性贡献，特别是探测到宇宙中微子」（同年的另一半授予了 X 射线天文学的贾科尼）；2015 年诺贝尔物理学奖授予梶田隆章和麦克唐纳，「因为发现中微子振荡，表明中微子有质量」。

太阳风和质量。数据来自美国国家航空航天局戈达德航天中心的 OMNI 2 数据集，2024 年每小时一个值，综合了 ACE、Wind、DSCOVR 等卫星在日地之间的测量，并换算到地球的位置。2024 年平均每立方厘米 7.2 个质子，速度的中位数是每秒 385 公里；按质子数密度 × 速度 × 质子质量（加上实测的氦）乘以 1 个天文单位处的球面积，太阳风每秒带走约 1.57 × 10⁹ 千克。太阳发光每秒减少的质量是光度 ÷ 光速²，约 4.26 × 10⁹ 千克。两者相加，按今天的速度过 46 亿年，约是太阳质量（1.989 × 10³⁰ 千克）的 0.04%。

粒子在磁场里。模拟用的是相对论性的 Boris 算法，一步步解质子在偶极磁场里的运动方程（洛伦兹力：力 = 电荷 × 速度 × 磁场，方向垂直于速度和磁场），地面磁赤道的磁场取 3.12 × 10⁻⁵ 特斯拉，每绕磁力线一圈至少算 40 步。两个质子都在 L = 6 的磁力线上：这根磁力线在磁赤道上离地心 6 个地球半径，那里的磁场是 3.12 × 10⁻⁵ ÷ 6³ ≈ 144 纳特，落到地面在磁纬 65.9 度。蓝色质子从磁赤道出发，速度和磁场的夹角（物理上叫「投掷角」）是 35 度：它在磁纬约 ±28 度之间弹来弹去，一个来回约 10.4 秒，在赤道上绕磁力线一圈 0.45 秒，向西漂移绕地球一圈约 8.2 分钟。磁镜的条件是：粒子绕圈的「磁矩」（垂直于磁场的动能 ÷ 磁场）保持不变，所以磁场增大到原来的 1/sin²(35°) ≈ 3 倍处，沿磁力线的速度减到零。红色质子从磁纬 30 度出发，投掷角只有 3 度：在这根磁力线上，赤道处投掷角小于 2.9 度（「损失锥」）的粒子还没被弹回就会碰到 100 公里高的大气；它 1.9 秒后在磁纬 65.7 度撞进大气。绕圈的半径 r = p⊥ / (qB)，p⊥ 是垂直于磁场的动量，q 是电荷，B 是磁场；动能 E 相同时，p = √(2mE)，所以 r 和 √(mE) 成正比。1 MeV 的质子在赤道处（144 纳特）绕圈的半径约 570 公里；5 keV（5000 电子伏）的电子在同一处约 1.7 公里，到了地面附近只有几米。真实的地球磁场被太阳风压扁、拉长，也不完全是偶极场；磁轴和自转轴也不重合，地球自转时磁场跟着摆动，模拟里都没有考虑。

磁纬。按地磁偶极的北极在北纬 80.8 度、西经 72.7 度计算：芝加哥（北纬 41.9 度）的磁纬约 50.7 度，北京（北纬 39.9 度）约 30.8 度。

Kp 和 Dst 指数。Kp 由德国地学研究中心（GFZ）发布，用全球 13 个中纬度地磁台每 3 小时内地磁水平分量的最大变化幅度，按准对数的换算表折成 0 到 9 级（分成 0、0+、1−、1、……、9−、9 共 28 档），再取平均。Dst 由日本京都大学发布，用赤道附近 4 个地磁台每小时地磁水平分量的变化，衡量环电流把地面磁场压低了多少；磁暴时为负值，越负越强。

2024 年 5 月的磁暴。OMNI 数据里，太阳风速度在 5 月 10 日 17 时（世界时）前后从约 450 跳到约 700 公里每秒，最高约 1006 公里每秒；磁场南北分量（GSM 坐标）最低 −35.3 纳特；Kp 在 5 月 11 日 0 时到达 9；Dst 指数最低约 −406 纳特（5 月 11 日 2 时，临时值）。这是 2003 年 10 月以来第一次达到 Kp 9 的磁暴。黑子数来自比利时皇家天文台的世界数据中心 SILSO（第 2.0 版）：第 25 周期平滑后的高峰是 2024 年 10 月的 160.9，比第 24 周期的 116.4（2014 年 4 月）高。

极光的谱线。氧原子绿线 557.7 纳米来自 ¹S 激发态，寿命约 0.7 秒；红线 630.0 纳米来自 ¹D 激发态，寿命约 110 秒，在较低的高度会被碰撞「熄灭」（碰撞把能量带走，不发光）。氮分子离子的 427.8 纳米蓝紫线，多在极光的下边缘，约 100 公里。质子极光主要发出氢原子的谱线（656.3 纳米的红线和 486.1 纳米的蓝绿线），很暗。图中各谱线的颜色用 CIE 1931 色彩匹配函数算出；高度分布是示意的典型值，真实的极光随粒子能量变化很大。