第一章 太陽

天空為什麼是藍的？
每一天的天空是藍的（當然，除了陰天以外），但是空氣並不是藍色的。簡而言之，來自太陽的光線，穿過地球的大氣層，進入我們眼睛之後讓天空看起來是藍的。太陽看起來雖然比較接近黃色或橙色，但是陽光其實是白色的，而白光實際上是由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種顏色組合而成的，七種顏色的光在大氣中傳播的能量略有不同，我們稱之為波長。當陽光穿過大氣時，大氣中的冰、水或氣體分子將白光分散成上述的七種顏色，這就是所謂的瑞利散射（Rayleigh scattering），為19世紀英國科學家瑞利所發現。波長短的藍紫光散射比紅黃光明顯，同時人類眼睛對藍色敏感度較高，所以整個天空看起來都是藍的。
在天氣晴朗時，天頂的顏色看起來比較藍，這是因為從地平線進入我們眼睛的光線要穿過較厚的大氣層，被散射掉的藍光比較多，所以接近地平線的天空看起來就沒有那麼藍，呈現乳白色。

太陽對氣象與氣候的影響
太陽是維繫地球乃至於整個太陽系運作的關鍵，來自太陽的光、熱以及重力對地球的天氣與氣候都有決定性的影響。太陽表面像是一鍋洶湧翻騰的氣體，不斷向外噴發巨大的能量。這些能量不時會進入地球的大氣層。在我們討論太陽能量對地球的影響之前，讓我們先看看太陽的結構。
太陽半徑約69萬5510公里，地球半徑約6371公里， 換言之，太陽的體積是地球的130萬倍。一般認為太陽大約生成於46億年前，只比地球的45億年早一點點。太陽的組成物質約92%是氫，其他幾乎都是氦，還有少量的氧、碳、氮等物質，加上核心超高溫與高壓的條件，太陽基本上就是個核融合反應爐。雖然太陽主要是由氣體組成的星球，它還是有核心與大氣層，太陽核心溫度可達攝氏1500萬攝氏度，溫度逐漸向外層降低到200萬攝氏度，這個溫度已經不夠維持大規模的核融合反應，太陽的表面溫度大約只有攝氏5500度，我們看見的陽光就是從太陽表面發射出來的。但是大氣的最外層溫度又迅速增加到200萬度左右。

太陽的結構
核心：溫度可達攝氏1500萬度，重力作用在太陽的核心產生巨大的壓力。核融合反應不斷將氫原子轉換成氦原子，過程中產生的巨大能量向外幅射，最後進入太空中。
幅射層（Radiative zone）：大約占太陽厚度的45%，核心所產生的能量以光子的形式在幅射層中向外擴散，這個過程極其緩慢，因為光子不斷重複被幅射層內的氣體吸收後再釋放，時間可以長達數十萬年。太陽的溫度在幅射層中逐漸下降約攝氏1300萬度。
對流層（Convection zone）：太陽的表層，溫度大約維持在攝氏200萬度。光子離開幅射層後，在對流層中以對流的方式（熱的上升與沉降）向外移動，對流作用可由太陽表面顏色變化觀察得知，較明亮的部位表示物質在此上升，黯淡的部位表示物質在此沉降。光子達到對流層表面後就形成我們看見的陽光。輻射層與對流層的溫度皆低於核心。

太陽有大氣層嗎？
就像地球一樣，太陽也有大氣層，可細分為三層：
光球（Photosphere ）：太陽大氣的最內層，厚度約500公里，溫度約維持在攝氏5500度，可見光由此向太空幅射，偶爾可見噴發的電漿或較低溫的太陽黑子。
色球（Chromesphere）：溫度高於光球。在日蝕發生時可以看到發出紅色的光芒，故得名。溫度約在攝氏4300度上下。
日冕（Corona ）：太陽大氣最熱的一層，溫度可達攝氏200萬度，是光球的300倍。一般無法從地球觀察到，只有在日全蝕發生時可以看到白色離子化的氣體向外噴發。該氣體冷卻後即成為所謂的火陽風。科學家目前還在爭論日冕高溫的成因，有一派的理論認為高溫是由一連串的爆炸所產生，爆炸的能量相當於每秒數以百萬計的千萬噸級的氫彈不斷在日冕爆發。

太陽有自轉、公轉或搖擺嗎？
太陽因為周圍行星重力的牽引會有微幅的搖擺。此外，太陽也有自轉，但是跟我們熟悉的地球自轉有點不一樣，由氣體組成的太陽，自轉速度在每個緯度都不相同。太陽與整個太陽系繞著銀河系轉動，是銀河系的一臂，銀河系則向仙女系星雲移動中。

陽光如何影響地球？
一年到頭太陽幅射的強度大致維持不變，但是地球表面接收的能量卻因季節與緯度而異。太陽一部分的能量被地表或海洋吸收轉變為熱能，因而提升地表或海洋的溫度。不同性質的表面會反射或吸收不同比例的能量，這便是所謂的反照率（Albedo）。地球上很少有地方反照率可以達到1（完全反射）或0（完全吸收），剛落下的新雪反照率可達0.8，森林反照率只有0.15。雲層也能反射部分的入射光，同樣地，一般淺色的表面（如雪地）能反射光線，而深色的表面（如森林或海洋）則會吸收較多光線。
陽光照在地球表面，部分能量為地表吸收或反射回去，甚至是介於兩者之間，因為沒有任何光線能完全被地表吸收，或完全反射回去。地表的性質會影響到能量的分配，如果是結實的地面，日照無法深入，只有表面淺層能夠吸收到熱量；但如果是水面，光線可以深入水面以下，熱量可以分布到更廣的水體。這就是為什麼沙漠在白天溫度很高，但是到了夜晚地表的熱量發散得很快，所以溫度很快就降下來了。海水的溫度在春夏兩季逐漸地上升，等到冬天積蓄的熱量再緩緩釋放出來。這對調節氣溫有非常神奇的效果，沿海地帶一般冬天比內陸暖和，夏天也比內陸涼爽。大氣層就像毯子一樣，能夠攔截地表幅射的熱量，大氣的環流又能將熱量帶到世界各個角落。月球雖然也有陽光照射但溫度卻極低，就是因為沒有大氣層的關係。除了熱能外，綠色植物也能利用光合作用將光能轉換成化學能，是生物界賴以生存的關鍵。

地球的緯度對日照有什麼影響？
由於地球與太陽的相對位置，赤道接收的太陽幅射最高。太陽在春分和秋分兩天都位於赤道上方（晝夜等長），因此太陽直射赤道的時間比其他緯度都長。夏至是一年之中白晝最長的一天，在北半球太陽直射的位置達到一年的最北端，反之冬至是一年之中黑夜最長的一天，太陽直射的位置達到一年的最南端。
午夜的太陽（The Midnight Sun）
在南北兩極，夏至時太陽幅射達到最高點，但是不同於赤道，太陽不會升至天頂，但是太陽24小時都在地平線以上，此時在北極圈或南極圈以內可以觀賞到午夜太陽的奇景。愈接近兩極，日不落的天數愈長。在北極圈，從6月12日到7月1日都是永晝，南極圈內的永晝則大約發生在12月21日前後兩週的時間。
極夜（Polar Night)
在冬至的前後幾週，太陽完全消失在地平線之下，這就是所謂極夜的現象，此時最常出現極端低溫，南極曾經觀測到攝氏零下89.2度的低溫，是目前最低溫的世界紀錄。衛星曾經在2004年1月的南極大陸東側觀測到零下98.6度的低溫。秋分之後，極圈內就再也看不到日升日落，起初還會有一段時間的暮光，隨著冬季的腳步愈來愈接近，暮光的時間也逐漸縮短，最後終於進入極夜的狀態。這大約發生在北極的11月中到1月下旬之間。太陽一直要到春分才會再度升起，從某個角度看，極地的中午是夏至，午夜則是冬至。

地球為什麼會有四季？
太陽幅射的強度決定了季節。地球依橢圓形軌道繞行太陽，但地球與太陽的距離變化並非決定季節的真正因素，造成季節交替的原因其實是地軸23.4度的傾角，當地球繞日公轉時，地軸傾角維持不變，傾向太陽的半球即是夏天，遠離太陽的半球即是冬天。這是因為傾向太陽的半球，日照比較強烈，因此氣候比較溫暖；遠離太陽的半球，由於日照減弱，因此氣候比較寒冷。在赤道附近，季節的變化主要顯現在乾溼氣候的交替，這是因為大氣對流最旺盛的緯度隨季節移動。中緯度地帶春夏秋冬四季的交替則比較明顯。總之，沒有地軸的傾斜就不會有四季。