如今，太空中的探測(cè)衛(wèi)星源源不斷地將太陽(yáng)觀測(cè)數(shù)據(jù)傳送下來(lái)，我們可能很難想象，當(dāng)年的人們需要花費(fèi)多年的努力才能獲取到一丁點(diǎn)關(guān)于太陽(yáng)的可靠信息。

然而，盡管取得了諸多進(jìn)展，一個(gè)有著上百年歷史的基本問(wèn)題尚未得到解決。太陽(yáng)產(chǎn)生的總能量是多少，它真的是恒定的嗎？答案仍然令人難以捉摸。現(xiàn)在，太陽(yáng)能量輸出（即太陽(yáng)總輻照度，英文縮寫(xiě)為 TSI）的確切數(shù)值是氣候建模和全球能量平衡計(jì)算的重要一環(huán)，因此了解這顆離我們最近的恒星如何工作就變得更加重要了。

冉冉升起的恒星 盡管太陽(yáng)離地球相對(duì)較近，但是在十九世紀(jì)的大部分時(shí)間里，天文學(xué)家對(duì)我們的這顆恒星仍然缺乏基本的了解。即使是明顯的特征也無(wú)法解釋?zhuān)热邕@張引人注目的日出照片中顯示的太陽(yáng)黑子。盡管技術(shù)取得了進(jìn)步，但太陽(yáng)仍然擁有許多秘密。

在十九世紀(jì)的大部分時(shí)間里，人們對(duì)太陽(yáng)如何工作幾乎一無(wú)所知。沒(méi)人知道太陽(yáng)黑子、光斑、日珥或者太陽(yáng)內(nèi)部任何事物的成因。即便是最明顯的問(wèn)題也能成為令人頭疼的難題。太陽(yáng)的熱量是如何產(chǎn)生和維持的？它是穩(wěn)定的還是變化的？它會(huì)持續(xù)多久？最明顯的問(wèn)題是，太陽(yáng)有多熱？1876 年，法國(guó)巴黎科學(xué)院發(fā)布懸賞，任何能夠確定太陽(yáng)表面溫度的人可以贏得數(shù)千法郎以及國(guó)際聲望。一場(chǎng)比賽由此開(kāi)始。

/ 熱身運(yùn)動(dòng)

一種早期的、有前途的方法是將太陽(yáng)光直接聚焦在一個(gè)裝有水（或其他液體）的容器上，并計(jì)算加熱所需的時(shí)間。太陽(yáng)如果溫度高的話，就會(huì)比溫度低時(shí)更快地加熱液體。1837 年，英國(guó)天文學(xué)家約翰 · 赫歇爾（John Herschel）在南非好望角測(cè)試了這一概念。同年，物理學(xué)家克勞德 · 普耶（Claude Pouillet）在法國(guó)所做的實(shí)驗(yàn)表明，1.76 克水在陽(yáng)光下一分鐘內(nèi)升溫 1°C（也可以表示為每平方厘米每分鐘 1.76 卡路里）。他將這一數(shù)值命名為" 太陽(yáng)常數(shù) "。

測(cè)量太陽(yáng) 法國(guó)天文學(xué)家克勞德 · 普耶在早期嘗試測(cè)量太陽(yáng)常數(shù)時(shí)使用了太陽(yáng)熱量計(jì)。該裝置由一個(gè)可加熱少量水的暗板（指向太陽(yáng)）組成，水的溫度由內(nèi)置的溫度計(jì)測(cè)量。

這是一個(gè)開(kāi)始，但是數(shù)據(jù)只有結(jié)合其背景才有意義。只有長(zhǎng)期反復(fù)的實(shí)驗(yàn)才能揭示太陽(yáng)常數(shù)到底是不是常數(shù)。這就帶來(lái)兩個(gè)直接的問(wèn)題。首先是地球大氣，我們?nèi)祟?lèi)生活在波濤洶涌的大氣海洋的底部。這對(duì)結(jié)果會(huì)有什么影響？世界不同地區(qū)、海拔、天氣條件和時(shí)間又將如何影響結(jié)果？第二個(gè)主要問(wèn)題是，直到十九世紀(jì)晚期，還沒(méi)有辦法在數(shù)學(xué)上由地球上測(cè)量的熱量值推導(dǎo)出太陽(yáng)表面溫度的可靠值。

即使想要解決這些問(wèn)題中的第一個(gè)，也是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。早期的研究人員認(rèn)為，這項(xiàng)任務(wù)只需要確定太陽(yáng)光在到達(dá)他們探測(cè)器之前減弱的程度。對(duì)大氣總吸收量的估計(jì)從約 30% 到這個(gè)值兩倍多都有，導(dǎo)致對(duì)太陽(yáng)表面溫度估計(jì)值也是五花八門(mén)。這顯然不太對(duì)勁。

問(wèn)題的關(guān)鍵隱藏在太陽(yáng)光的七彩顏色中。早在 1814 年，德國(guó)光學(xué)儀器專(zhuān)家和物理學(xué)家約瑟夫 · 馮 · 夫瑯和費(fèi)（Joseph von Fraunhofer）就在使用他發(fā)明的分光鏡研究太陽(yáng)光，但是當(dāng)時(shí)沒(méi)人知道分光信息如何（甚至是能否）揭示太陽(yáng)的溫度。

夫瑯和費(fèi)的太陽(yáng)光譜呈現(xiàn)出一個(gè)由強(qiáng)度不等的暗線組成的迷人森林。如果以波長(zhǎng)和強(qiáng)度分別作為 X 軸和 Y 軸繪圖，會(huì)得到一個(gè)圓弧形的曲線，中間偶爾被陡峭的下降所打斷。當(dāng)陽(yáng)光穿過(guò)地球大氣時(shí)，吸收特征（也就是地球大氣譜線）會(huì)疊加在光譜上，其中最突出的是大氣中的水蒸氣、二氧化碳、氧氣和臭氧的譜線。揭示太陽(yáng)常數(shù)意味著能夠?qū)⒌厍虼髿庾V線與太陽(yáng)大氣中固有的譜線區(qū)分開(kāi)來(lái)。為此，必須在每個(gè)波長(zhǎng)處計(jì)算地球大氣的透射系數(shù)。這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。然而，對(duì)于太陽(yáng)研究的未來(lái)來(lái)說(shuō)，時(shí)機(jī)是幸運(yùn)的——美國(guó)史密松天體物理臺(tái) ( SAO ) 的兩位太陽(yáng)物理先驅(qū)者已經(jīng)完全準(zhǔn)備好解決這個(gè)問(wèn)題了。

山頂小屋 這座位于加利福尼亞州惠特尼山海拔 14502 英尺（譯注：約為 4420 米，為美國(guó)本土最高峰）山頂?shù)氖摻Y(jié)構(gòu)小屋是阿博特收集數(shù)據(jù)以追獵太陽(yáng)常數(shù)的地點(diǎn)之一。這座小屋建于 1909 年，今天仍然佇立在那里，經(jīng)常被徒步旅行者用來(lái)休息。

/ 志同道合

史密松天體物理臺(tái)的創(chuàng)始人、富有遠(yuǎn)見(jiàn)的科學(xué)家和航空愛(ài)好者塞繆爾 · 皮爾龐特 · 蘭利 ( Samuel Pierpont Langley ) 一直被太陽(yáng)研究所吸引。確定我們星球的大氣層對(duì)太陽(yáng)光的吸收程度將成為蘭利對(duì)天文學(xué)的第一個(gè)重大貢獻(xiàn)。

1881 年，他發(fā)明了一種被稱(chēng)為測(cè)輻射熱計(jì)（bolometer）的設(shè)備，用于測(cè)量不同波長(zhǎng)處的太陽(yáng)熱量。這是一項(xiàng)至關(guān)重要的創(chuàng)新，因?yàn)榫拖裉炜帐撬{(lán)色的、落日是紅色的一樣，大氣的吸收和散射隨著波長(zhǎng)的變化而發(fā)生巨大的變化。蘭利在美國(guó)加利福尼亞州惠特尼山的高處測(cè)量陽(yáng)光，獲得了基于 12 個(gè)選定波長(zhǎng)的太陽(yáng)輻射曲線，并得出了每平方厘米每分鐘 2.54 卡路里的太陽(yáng)常數(shù)——比普耶測(cè)的 1.76 要高。蘭利的研究結(jié)果很粗略，但他的目的是建立概念，并證明他逐個(gè)波長(zhǎng)測(cè)量大氣透射的方法是計(jì)算太陽(yáng)常數(shù)的可行方法。

接下來(lái)，蘭利最需要的是尋找有能力的合作者，幫助他的工作更上一層樓。他有幸遇到了一位才華橫溢、擁有獨(dú)門(mén)絕技的新英格蘭人。他們的人生之路在麻省理工學(xué)院 ( MIT ) 的一間地下實(shí)驗(yàn)室交會(huì)了。

很難想象有哪兩個(gè)人的外表能像塞繆爾 · 皮爾龐特 · 蘭利和查爾斯 · 格里利 · 阿博特（Charles Greeley Abbot）這樣差異巨大，前者溫文爾雅、衣冠楚楚，后者則是粗獷的農(nóng)場(chǎng)男孩。阿博特 1872 年出生于美國(guó)新罕布什爾州的威爾頓，他在農(nóng)舍長(zhǎng)大，那里除了廚房和有著大壁爐的客廳，所有房間都冷得要命。樓上是他的伯祖父留下的藏書(shū)，這位伯祖父是發(fā)明家。星期六，阿博特很高興 " 偷偷溜到樓上的北極房間 "，翻開(kāi)那些滿是灰塵的書(shū)籍，閱讀關(guān)于鐘表和詹姆斯 · 瓦特雙作用冷凝式蒸汽機(jī)的工作原理。阿博特后來(lái)寫(xiě)道，" 為了弄明白這些東西的原理，我寧可幾個(gè)小時(shí)都凍得直打哆嗦。" 或許，后來(lái)研究熱成為他畢生的事業(yè)也就不足為奇了。阿博特是個(gè)好奇的修補(bǔ)匠，小時(shí)候用廚房的爐子作為噴燈為家里焊鍋，13 歲時(shí)他建造了一個(gè)鍛造爐來(lái)修理農(nóng)具。

太陽(yáng)先驅(qū)者 這是一張查爾斯 · 格里利 · 阿博特在 1913 年到 1917 年間的某個(gè)時(shí)候帶著他的銀盤(pán)太陽(yáng)熱量計(jì)的照片，這是一種用于測(cè)量太陽(yáng)輻照度的設(shè)備。與測(cè)量不同波長(zhǎng)輻射強(qiáng)度的測(cè)輻射熱計(jì)不同，太陽(yáng)熱量計(jì)測(cè)量太陽(yáng)輻射的總量。

阿博特未來(lái)的職業(yè)一定程度上是由偶然因素決定的。他中學(xué)就讀于美國(guó)馬薩諸塞州安多福的菲利普斯學(xué)院。有一天，他的一些同學(xué)決定去波士頓參加麻省理工學(xué)院的入學(xué)考試。阿博特和同學(xué)一起坐火車(chē)到了波士頓，因?yàn)椴幌胍粋€(gè)人在城里閑逛，他心血來(lái)潮決定也去考考試試。阿博特輕松通過(guò)了考試并被麻省理工錄取，最終以?xún)?yōu)異成績(jī)從物理學(xué)專(zhuān)業(yè)畢業(yè)。

在麻省理工讀研究生的時(shí)候，阿博特遇到了衣冠楚楚的蘭利，他碰巧路過(guò)這里想要給自己找個(gè)助手。" 你想不想看看我的實(shí)驗(yàn)？" 阿博特問(wèn)道。" 我應(yīng)該會(huì)非常喜歡，" 蘭利回答道。他們聊了一會(huì)兒，并毫無(wú)疑問(wèn)地感受到了志同道合，蘭利聘請(qǐng)了這位和藹可親的發(fā)明家。這個(gè)男孩不久前還在制造自行車(chē)和水磨坊，很快就會(huì)制造出非常靈敏的科學(xué)儀器。

1895 年，阿博特來(lái)到史密松天體物理臺(tái)工作，他的第一個(gè)任務(wù)是幫助蘭利繪制太陽(yáng)紅外光譜中的夫瑯和費(fèi)線。蘭利很快就發(fā)現(xiàn)了這個(gè)年輕人在使用精密儀器方面的天賦，并立即讓他作為合作者參與測(cè)量太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的重要工作。隨著時(shí)間的推移，蘭利的興趣又轉(zhuǎn)向新興的航空領(lǐng)域，于是讓阿博特負(fù)責(zé)太陽(yáng)研究工作。

阿博特制造了兩臺(tái)用于探測(cè)太陽(yáng)熱量的儀器。第一個(gè)是普耶使用的太陽(yáng)熱量計(jì)（pyrheliometer），這是一種奇怪的溫度計(jì)，配有一端涂黑的銀盤(pán)，用于指向太陽(yáng)。該設(shè)備跟蹤天空中的太陽(yáng)，測(cè)量太陽(yáng)輻射的光在穿過(guò)不同厚度的地球大氣層時(shí)的變化。第二種儀器是蘭利測(cè)輻射熱計(jì)的改進(jìn)版本，它本質(zhì)上是一根導(dǎo)線，當(dāng)特定波長(zhǎng)的輻射被棱鏡分光之后指向它時(shí)，它的電阻會(huì)發(fā)生變化。阿博特讓整個(gè)太陽(yáng)光譜掃過(guò)導(dǎo)線，由此可以繪制出強(qiáng)度對(duì)波長(zhǎng)的太陽(yáng)輻射輸出曲線。

阿博特在多個(gè)天頂角方向上收集了 44 個(gè)不同波長(zhǎng)的太陽(yáng)輻射和大氣透射數(shù)據(jù)，然后通過(guò)數(shù)學(xué)方法外推這些信息以確定地球大氣層外的輻射值。1908 年，阿博特分析了他的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)常數(shù)的平均值為 2.01 卡路里，相當(dāng)于每平方米約 1403 瓦。到了 1915 年，通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)的積累和方法的改進(jìn)，阿博特將這個(gè)數(shù)字修正為 1.93 卡路里——接近 1.95 或每平方米 1361 瓦的現(xiàn)代值。

塞繆爾 · 皮爾龐特 · 蘭利是一位富有遠(yuǎn)見(jiàn)的太陽(yáng)科學(xué)家和早期航空發(fā)燒友，他曾經(jīng)寫(xiě)道：" 觀測(cè)太陽(yáng)向地球發(fā)出的熱是天體物理學(xué)中最重要和最困難的任務(wù)之一。" 在擔(dān)任美國(guó)賓夕法尼亞州阿勒格尼天文臺(tái)第一任臺(tái)長(zhǎng)期間，蘭利使用天文臺(tái)的 13 英寸菲茨 - 克拉克折射鏡詳細(xì)繪制了 1873 年 12 月穿過(guò)太陽(yáng)表面的一個(gè) " 典型 " 的太陽(yáng)黑子。

讓人悲傷的是，阿博特的偉大導(dǎo)師塞繆爾 · 蘭利于 1906 年去世，無(wú)法看到好伙伴阿博特努力的成果。盡管蘭利在太陽(yáng)物理學(xué)方面的早期成就舉足輕重，但是他對(duì)早期航空業(yè)的巨大貢獻(xiàn)更為人們所銘記。有幾個(gè)重要設(shè)施以他的名字命名，包括位于美國(guó)弗吉尼亞州的蘭利空軍基地和美國(guó)航天局蘭利研究中心。