摘要：观测太阳其实是一件看似容易，实则比较困难的事，容易的地方在于我们很快就可以找到它，困难的地方在于该如何观测。千万不能用肉眼直视太阳，因为强光会导致视网膜受损，这种情况下我们需要佩戴可靠的防护眼镜。即便是相机等摄影器材，在没有保护措施的情况下直接拍摄太阳，光学元
我们使用普通成像设备拍摄太阳时，往往难以看清细节；但是卫星拍摄的太阳图像不仅非常清晰，还绚丽多彩，这是为什么呢？
“羲和号”拍摄的太阳图像
（图片来源：国家航天局）
地面观测太阳的局限及解决办法
观测太阳其实是一件看似容易，实则比较困难的事，容易的地方在于我们很快就可以找到它，困难的地方在于该如何观测。千万不能用肉眼直视太阳，因为强光会导致视网膜受损，这种情况下我们需要佩戴可靠的防护眼镜。即便是相机等摄影器材，在没有保护措施的情况下直接拍摄太阳，光学元件也可能损坏。
拍摄太阳图像的正确做法是：给器材安装一个经过相关认证的滤光片。如果需要观测色球层或展开深入研究，就需要氢-α滤光片（一种能过滤特定波长光线，专门用于观测太阳色球层的光学元件）等物件，由此可获得细节相当丰富的太阳图像。如果考虑大气因素的影响，地面拍摄太阳最佳的时间通常是清晨，这时候大气温度尚未升高，有利于观测成像。
白光太阳图像，可以观察到太阳黑子等较为常见的现象，也可用于观测日食，但其他细节就很少。
（图片来源：luntsolarsystems）
使用氢-α滤光片观测太阳时拍摄的画面，细节更为丰富。
（图片来源：luntsolarsystems）
根据以上两张图像可以看出，在地面上观测太阳，使用不同的滤光片时我们可以得到截然不同的太阳图像，这是因为滤光片能对光线进行“过滤”，阻断不需要的光谱，从而呈现特殊波长条件下物体的图像。
地面观测的“天然屏障”——大气
在地面上观测太阳或者拍摄太阳图像是有明显局限性的，核心原因是地球大气的存在。太阳发出的可见光、红外和紫外辐射与地球生命的生存密切相关，而地球生态系统演化出能保护生命繁衍的大气层可：它可有效过滤部分的紫外线，高层大气、臭氧分子会吸收掉一些对生命不友好的辐射，形成一道天然的屏障。
这也是科学家在系外行星的观测中，格外关注那些有大气结构的岩质行星的原因，如果它们与恒星之间的距离比较适宜，那么就可能具备演化出生命的一些潜在条件。顺便提一下，对系外行星进行观测，需要非常专业的大型望远镜或者空间天文台。
但是从观测太阳的角度看，大气的“保护作用”反而成了阻碍。被大气层阻挡的紫外线，恰恰是太阳最为精彩的成像波段之一，因此，在地面上观测太阳，即便设备有着较高的分辨率，成像也会受限。
地球大气层可阻挡一部分来自太阳的紫外线
（图片来源：pranaair）
为此科学家就想方设法将观测装置转移到轨道上，由此催生了探空火箭、专门承载太阳空间望远镜的科学探测卫星等多种手段。例如，我国的“羲和号”太阳探测科学技术试验卫星，近期就观测到一次日珥爆发——大量的等离子体物质和能量被抛向太空，景象非常壮观，具有较高的科学研究价值。当我们将观测设备转移到太空后，在高分辨率成像等技术支持下，就可以拍摄到兼具观赏价值和研究价值的太阳图像。
“羲和号”观测的太阳暗条/日珥的演化和爆发
（图片来源：国家航天局）
卫星观测时间更长、距离更近
太阳观测卫星的观测时间要比地面望远镜更长，这意味着它能够长时间“盯”着太阳的一举一动，密切关注太阳表面所发生的任何一个微小的事件，因为这些事件可能会影响到地球周围的空间环境，需要不间断观测。
以NASA的太阳动力学天文台为例，它几乎可以实现24小时全天候观测太阳，轨道高度大约3.5万公里，轨道倾角28.5度。太阳动力学天文台携带的设备能够在较短的时间内以近10个不同波长拍摄太阳的图像，几乎实现了每时每刻都“盯”着太阳，与地面观测站相比，有着明显的优势。
这条轨道的特点是高度较高，每天观测太阳的时间长，能够清晰地观察到太阳物质在日冕层中流动的情况等。当然，由于日地关系，卫星的视角在特殊时候会被遮挡，比如发生“地球凌日”时：此时地球位于卫星与太阳之间，造成阻挡而导致卫星无法观测。这个现象持续时间较短，一般发生在春秋时分，持续数十分钟。即便如此，科学家也能利用这个契机对太阳进行观测，毕竟在地球上日食现象并不常见，但是在太空中可以利用轨道的特殊性形成遮挡。
卫星可实现全天观测太阳，白色小点为卫星，白色线条为其轨道。
（图片来源：NASA）
太阳动力学天文台只是绕地球运行的众多太阳探测器一员，为了进一步观测太阳，科学家就设想让探测器更靠近太阳，甚至是绕日运行，这样一来，除了能获得相关空间数据外，还能拍摄到太阳表面的高分辨率图像。
例如帕克探测器，它运行在绕日轨道上，不仅实现了全天对太阳进行观测，而且还在不断缩短与太阳的距离。自2018年发射升空后，该探测器利用多次飞越金星的机会减小近日点距离。在2024年12月，探测器距离太阳表面大约380万英里，相当于约610万公里，当时探测器拍摄到太阳风从太阳外层大气日冕中喷涌而出的高清晰度图像，具有重大的科学研究意义。
帕克探测器近距离捕捉到太阳风粒子喷涌而出的图像
（图片来源：NASA）
卫星的观测手段更加多样化
地面观测太阳常常受限于设备。公众能买到的观测设备，比如日常使用的手机，或者专业一些的天文望远镜，主要在可见光波长范围内进行观测。稍微专业一些的人士可能会购买氢-α（H-ALPHA）滤光片安装在望远镜上，对太阳进行观测，这样做的目的是可以观测到太阳的色球层，与只通过白光观测太阳相比，拍摄出的照片显然会更有意义。当然这种滤光片价格也不菲，主要针对专业人士，使用和操作也更需要一些技巧。安装氢-α滤光片后，就能拍摄比较清晰的日珥、色球层的纤维状结构、热气体喷射等太阳表面的一些细节变化。
天文爱好者使用安装了氢-α滤光片的专业望远镜对太阳进行拍摄的图像
（图片来源：skyandtelescope）
上图是一名叫鲍勃·安托尔的天文爱好者使用加装氢-α滤光片后的望远镜拍摄的太阳巨型日珥的图像。日珥是恒星表面的能量活动，跨度之广甚至可以容纳下多个地球，由于其形状呈现出环形，因此被称为日珥。
观测日珥是许多天文爱好者研究太阳的主要目标之一。由于日珥呈现出动态变化的特征，在一段时间内会以较慢的速度抛向更高的位置，然后物质再次重新聚集后又落回。这种动态的变化使得太阳观测变得非常有趣，即便是很小的日珥，也常常比地球还大，刹那间给人一种“宇宙之浩渺，人类非常渺小”的感叹。
在鲍勃拍摄的这张图像中，我们还能看到太阳表面出现了许多“针状体”，就像橙色的皮毛在太阳盘面蔓延着，它们是跨度达到数千公里的热气体喷流，不断扰动着色球层。由此可见，增加了氢-α滤光片后拍摄的太阳照片，能将色球层上的许多细节都展现在眼前，为太阳观测增添了更多趣味。
从观测波长角度看，即便是使用了氢-α滤光片，让我们感受到太阳的动态之美，但其仍然属于可见光波长的范围。我们通过专职观测太阳的空间天文台看到的太阳图像却又非常炫酷多彩，既不显单调，又能让我们看到与众不同的太阳，这是为什么呢？最重要的原因是空间天文台的观测手段更多样化，可以在不同波长条件下对太阳进行观测成像，科学家再将这些照片进行叠加处理，最后让我们看到非常炫酷壮观的太阳图像。
由多个波长的图像进行处理后形成的太阳图像
（图片来源：NASA）
上图是空间望远镜的大气成像组件拍摄的图像，涉及三个观测波长，主要集中在极紫外（一种波长比紫外线更短的电磁波，对太阳活动观测至关重要）波长。多个波长照片综合处理后，会使得太阳照片显得更加绚丽，像是一个色彩丰富的大球。随着波长的改变，比如向X射线方向移动，太阳又将是另一番景象。
太阳的X射线图像，可见纳米耀斑的爆发。
（图片来源：NASA）
这是太阳的X射线图像，由探空火箭搭载的观测设备在数百公里的高度拍摄而成。此时的太阳犹如一副狰狞的面孔，四处弥漫着一种幽暗感，就像一个巨大的黑球深不可测，完全没有了紫外波长下色彩丰富的样子。科学家通过观测太阳的X射线图像，可以发现许多我们平时看不见、察觉不到的奥秘。比如太阳平静的外表下，其实隐藏着无数个被称为纳米耀斑的微型能量爆发，规模虽然小，但强度很大，与太阳大气中的磁场线缠绕在一起，就像橡皮筋被拉伸到极致后突然崩断那样，产生强大的能量。
这些奇异的现象发生在人的肉眼无法观测到的特殊波长下，这就需要用专门的设备去收集X射线，能够实现这个目标的主要是一些大型的研究机构。获得高质量的X射线图像并不是一件容易的事，与可见光成像不同，X射线是难以聚焦的，这就需要有一些专业技术作为支撑，让成像更加清晰，才能洞察到太阳表面下方隐藏的我们肉眼看不到的奥秘。
从中我们也可以看出，太阳最绚丽、最精彩的观测波段位于紫外波段，展现出太阳上千变万化的能量释放。X射线图像揭示了我们肉眼不可见之处其实才是太阳真正隐藏奥秘之处。在宇宙中，眼见不一定为实，人类肉眼所能感知到的波长只是诸多天体事件的一小部分。
卫星也需要高分辨率观测仪器
卫星之所以能观测到清晰的太阳图像，还有一个原因是图像也有着较高的分辨率。当然，陆地上的天文台也能实现这个目标，只不过受到大气因素的限制而无法发挥。比如位于夏威夷的DKIST太阳望远镜，工作波长高于380纳米，能够拍摄到高分辨率的太阳黑子图像，但对于非常精彩的紫外波段就无能为力。
太阳观测望远镜拍摄到的黑子高分辨率图像
（图片来源：NSO）
太阳轨道飞行器所拍摄的太阳图像，图中灰色区域代表一个网格，这张图由25个网格构成。
（图片来源：ESA）
上面这张图像是2025年3月，欧洲空间局的太阳轨道飞行器所拍摄。图像原版的尺寸为12544×12544像素，距离太阳大约7700万公里，波长为17.4纳米，由200张图像组合而言。这200张图像分布在5×5的网格中，相当于把这张图分为25个网格，每个网格有6张高分辨率图像和2张广角图像，然后再将其进行拼接组合，才有了我们看到的超高分辨率图像。
在这张图像中，可以看到太阳的整体面貌，以及多种常见的太阳活动现象。该图像观测波长为17.4纳米，属于极紫外范围，由于地球大气的缘故，地面上的望远镜无法观测这一波段。
三种不同空间天文台对太阳的成像能力对比
（图片来源：NASA）
对于空间望远镜而言，自身的技术也在不断迭代，观测仪器的分辨率也在不断提高。上图就展示了三种不同空间望远镜的观测分辨率，从左到右分别是“太阳和日光层空间观测站”拍摄的照片，“日地关系空间天文台”的拍摄的太阳照片，“太阳动力学天文台”携带的大气成像组件拍摄的照片。从成像分辨率上看，右图是中图的2倍，是左图的4倍。成像频率上，左图“太阳动力学天文台”可以实现每秒拍摄一张图像，中图“日地关系空间天文台”成像能力是每3分钟拍摄一张，左图“太阳和日光层空间观测站”则是每12分钟拍摄一张。
所以，开篇问题的答案已经揭晓：卫星之所以能拍摄到绚丽多彩的太阳图像，是因为普通设备拍摄太阳效果有限，而卫星能突破地球大气限制，在太空中通过更长观测时间、多样化观测手段（覆盖紫外、X射线等多波段）和高分辨率仪器，捕捉太阳的细微活动。尤其是极紫外等波段的成像，经叠加处理后，能呈现出地面观测无法比拟的绚丽色彩。
卫星拍摄的太阳图像不仅美观，更承载着太阳活动的科学信息，帮助人类更深入地理解这颗孕育地球生命的恒星。
出品：科普中国
作者：川陀太空（科普创作者）
监制：中国科普博览
来源：中国科普博览
