太阳光子如何抵达你的身边丨混乱博物馆

太阳的光与热，来自于其核心区氢核聚变所产生的热核辐射。根据质能方程进行计算，理论上如此产生的电磁波应该处在一个相对集中的范围。但实际上，我们在地球上所接收的太阳光却是接近全频段的、有一定连续性的波谱。理论与实际的出入，不仅令人疑惑，这其中究竟发生了什么？

－文字稿－

地球上一切欣欣向荣的景象，都源自于太阳的馈赠。如早春的百花斗艳，如盛夏的海天云蒸，无非是源于可见光的反射与红外线的热效应；就连生命赖以生存的氧气，也产生于叶绿体的光合作用。

我们在中学就已经知道，太阳的光与热，来自于其核心区氢核聚变所产生的热核辐射。根据质能方程进行计算，理论上如此产生的电磁波应该处在一个相对集中的范围（波长小于10皮米pm，频率大于1019赫兹Hz）。但实际上，我们在地球上所接收的太阳光却是接近全频段的、有一定连续性的波谱。理论与实际的出入，不仅令人疑惑，这其中究竟发生了什么？

首先，在太阳核心区发生氢核聚变会产生巨大的能量，并以高能光子（γ & X - ray）和中微子（neutrino）的形式被释出。与「万花丛中过，片叶不沾身」的中微子不同，高能光子由于携带电荷，会受到电磁力（electromagnetic force）的影响。

电磁力作为四大基本力之一，与我们世界中的各种现象息息相关。像摩擦力、弹力、分子间作用力、生化反应等等，如果对它们的产生追本溯源，就会发现其实都是电磁力的演化。而光子就是传递电磁力的媒介粒子。

高能光子正是在这样的影响下反复与其它粒子相互作用，并在这个过程中发生能量转换。比如制动辐射（Bremsstrahlung），就是指带电粒子与原子或原子核碰撞时，突然减速会放出辐射的现象。这在太阳内部，表现为等离子体对光子的「再吸收（re-absorbed）」和「再辐射（re-emitted）」。

也正因为如此，这些光子往往需要走过一个方向不定，迂回曲折的漫长路径，才能到达太阳的表面。根据估算，整个过程所耗费的平均时间约为4万年。过程伴随着温度和能量的降低，直到能量和物质到达热平衡态。此时，这些到达表面的光子，其频率不再单一，而是近似于黑体辐射。

当这些光子继续向太阳外围进发，直到物质稀薄到无法对它们进行有效「阻挡」时，就有机会脱离太阳大气层，进入宇宙并被地球上的我们看到。

在往期节目中我们曾经提到过，频率高低对于波的「穿透性」而言，涉及到两种不同的方式，分别为「穿透」和「衍射」。我们可以结合电磁力的观点对其进行重新阐释。频率高能量高的电磁波，其行为模式更接近粒子，在传递的过程中更容易折损；而低频的波，其行为模式更接近传统波，被「碰」到的概率更低，所以能量损失小。

就好比富人过闹市，谁都想来搭下沾点「光」；但是有的就会躲着人走，因为他们的口袋里没有多少钱。

这些初出太阳，朝气蓬勃的光子，花了8分20秒来到地球，面临的第一关就是大气层。它靠元素构成的多样性和惊人的深度，让一大批精神小伙儿交待在这里。其中尤为恶劣的，要数臭氧和氧气的组合。臭氧在波长为200~280纳米处的特征吸收会引起光分解产生氧气；而氧气在100~200纳米处的特征吸收会引起合成反应生成臭氧。

剩下的那些波长相对较长的红外线、可见光和部分紫外线，依靠过人的身法来到了近地面，最终完成漫长的旅程，参与到人类生活的方方面面。其中，紫外线部分由于仍然带有较高能量而引起了人们的重视。尽管它可以启动人体内维生素D的合成路径，但是伴随而来的损伤也不容忽视。

通过长期的观察总结，人们根据对皮肤造成的伤害类型，将这部分紫外线分为了UVA（320~400nm）和UVB（280~320nm）。其中UVB由于人体黑素细胞的防御，止步于表皮层，但会引起烧伤和DNA损伤；而UVA由于衍射效应有机会越过障碍，深入真皮层，引起老化和色素沉着等问题。

与前面提到的能量转换类似，我们可以利用一些有机物对光谱的特征吸收来消解这类伤害。常见如水杨酸酯类，可以将光能转化为内氢键；二苯酮类化合物，可以将光能转为化学能等。

曾有一段时间，流行针对UVB的小分子防晒剂。但由于有透皮吸收的可能性，会引起各种皮肤问题，甚至埋下健康方面的隐患。这督促人们去想更好的办法，比如采用乙基己基三嗪酮，对苯二亚甲基樟脑磺酸等大分子。但大分子的分子链长，容易见光分解失效，所以选择防晒产品的时候，除了看分别针对UVB、UVA的防护指标SPF和PA两个数据外，还要关注光稳定性。