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回望太阳,度量太阳温度是一蹴而就的啊

日期:2019-10-05编辑作者:关于科技

太阳表面温度可以通过实验直接测量得出的。

随着电影《流浪地球》的热映,人类对于地球未来的命运更加关注,人类在太阳系这个家园,到底还能呆多久呢?地球是否真的要去流浪呢?这些,都得依赖于银河系的核心——太阳,今天就让我们来回眸这个熟悉而又神秘的星球。

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一、宁静的太阳不宁静

太阳是一个巨大的由电离气体构成的等离子体球,其能量来自于核心区域发生的由氢核到氦核的核聚变反应,而该反应的发生要求内核温度达到约1300万开尔文。所以我们可以根据太阳运作方式的理论来模拟实际中心的温度,这个温度目前为开氏1571万度。

我们肉眼看到的太阳宁静而美丽,其实,太阳本质上是个炽热的气体球。构成这个气体球的化学成分以氢和氦为主,分别占太阳总质量的71%和27%,其它为各种重元素。

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太阳半径约70万公里,是地球半径的109倍,太阳的体积为130万个地球的体积。有人比喻,如果把直径25米的北京天文馆大圆顶比作太阳,那么地球只相当于一个足球的大小。可见,相对地球来说,太阳绝对是一个庞然大物。

我们见到的太阳光是在太阳内部深处“制造”出来的。“制造”出来之后,光子在太阳内部被多次反射并逐渐从太阳射出。由于太阳没有地球这样的固体表面,所以我们需要对太阳表面的范围进行定义,即一段距太阳核心的平均距离,在这段距离中光线不断被反射,最终射出太阳。事实证明,太阳表面几乎具有黑体的光谱(黑体是一个物理概念,发出的每个波长的光的比例仅是表面温度的函数)。这对我们估计太阳温度是有利的,因为我们可以测量出太阳的光谱,然后用黑体光谱计算温度。

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图1 太阳与地球大小的对比

从太阳的光谱我们可推断,其表面温度大约为5800开氏度,即5527摄氏度。

如此之大的太阳在地球上看来却不过圆盘大小,原因是太阳距离我们“太远”了。太阳距离地球大约1亿5千万公里。这样长的距离,人们在日常生活中是难以想象的。如果以速度3600公里/小时的高速飞机从地球昼夜不停地飞到太阳大约就需要4.75年,即使以速度为11.2公里/秒的火箭从地球到太阳大约也要154天。不过,太阳光却只需大约8分钟就能走完。

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自太阳诞生到目前的50亿年间,一直不停地向外发射着光和热。这源源不断的能量来源于太阳内部中心区的核聚变反应。太阳内部中心的温度高达1500万摄氏度左右,其压力大约是250亿倍个地球大气压。在这样高的温度和压力下,太阳内部发生着剧烈的由4个氢原子核聚变为1个氦原子核的核聚变反应。这个过程大约有千分之七的物质转换成能量。虽然只有千分之七,但核反应释放的能量极大。用爱因斯坦著名的质能转换公式计算出,1千克氢原子中千分之七的物质转换成能量就相当于燃烧4千吨石油或6千吨煤获取的能量。而太阳中心区每秒都有数百万吨质量转换为能量,这超过地球有史以来消耗的能量总量。

太阳的有效温度或黑体温度是一个相同大小的黑体,在产生完全辐射的功率时所对应的温度。科学家如何测得太阳表面的温度?

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当然不是用探热针了。先说如何测量太阳的表面温度。物理学家知道,所有物体都会放射电磁波(除非它的温度是绝对零度),波长包括了各个波段,由无线电波以至伽玛射线,这些由物体的温度产生的辐射称为热辐射。例如,我们的身体其实正在放射着以红外线为主的热辐射。从着物体温度的增加,辐射量最强的波长也会变得较短。太阳表面放出的辐射,主要是波长为5000唉的黄绿色光。所以,根据热辐射理论,我们得出太阳表面温度为摄氏5500度。

图2 太阳核心区的核聚变反应

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二、太阳由内到外层层环绕

至于太阳核心的温度, 由于我们没法直接观测太阳的内部, 所以只能以核子物理学的理论来推测。太阳核心的密度大约是150 克/ 立方厘米( 即是水的150 倍), 在这压力下, 温度至少要15600000 度才能产生热核反应。太阳核心炽热不足为怪, 但原来远离核心的日冕温度也是很高的。日冕很稀薄, 但范围可延伸至达太阳半径十倍之远, 温度更高达约1000000 度( 放出的热辐射主要是X 射线波段) 。为什么日冕温度可以比太阳表面更高, 仍是天文学上一个未解之谜, 但一般认为与太阳磁场的作用有关。※ 天文学家可以透过太阳表面的震动, 来推测太阳核心的大小和密度, 手法和利用地震推测地球核心的大小和密度相似。

就像地球内部有分层结构、外部有大气层一样,根据物理性质的不同,太阳从内到外也可分成若干层次。我们肉眼看到的发光圆球只不过是太阳的一个圈层—光球。光球以内是太阳内部,从里到外依次分为核心、辐射层和对流层;光球以外是色球和日冕,统称为太阳大气。太阳内部几乎集中了太阳的全部物质。然而,由于来自内部的辐射被上面的太阳大气包裹得“密不透光”,所以在地球上看不到这些层次,其性质只能依靠观测进行理论推测。太阳大气所含物质总量和内部比较是微不足道的,但它们的性质可用肉眼和仪器的观测来确定。

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我们平常用肉眼看到的非常耀眼的太阳圆面就是太阳的光球。可见光波段的太阳电磁辐射几乎全部是由光球发射出来的,这也是称之为“光球”的原因。它有一个非常清晰的边界,太阳的直径就是以这个边界来定义的。光球是太阳大气的最低层,其厚度大约只有500公里,约为太阳半径的0.07%。它的压力和密度也是很小的,光球的气体压力大约只有0.1个大气压,而密度是地球大气密度的百分之一。然而它却像一堵墙一样挡住了太阳内部辐射的外流,使人们看不到太阳内部的容貌。

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太阳或日是位于太阳系中心的恒星,它几乎是热等离子体与磁场交织著的一个理想球体。其直径大约是1392000公里,相当于地球直径的109倍;质量大约是地球的333000,约占太阳系总质量的99.86%,同时也是约2697.3万倍的月球质量。 从化学组成来看,太阳质量的大约四分之三是氢,剩下的几乎都是氦,包括氧、碳、氖、铁和其他的重元素质量少于2%。

图3 太阳的分层结构

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色球是紧挨着光球上面的气层,它的物质密度比光球更低,温度反而比光球高。从色球低层至高层密度下降了5个量级,而温度则上升了3个量级,在色球顶部的温度已达几万度,这与人们想象的外层温度低于内部温度恰恰相反。平时,色球被地球大气分子和尘埃散射的太阳光完全淹没了,所以人们看不见它。当日全食时,月亮遮掩了光球明亮光辉的一瞬间,便可在黑暗的天空背景上看到在月轮边缘上呈现粉红色的锯齿形状,那就是色球。色球边缘不像光球那样清晰整齐,其结构很不均匀,平均厚度大约是2500公里。

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日全食时,如果从粉红色区域的色球再往外面看,还能够看到一片银白色的光辉,这就是太阳的最外层大气—日冕。日冕的光辉越向外面越微弱,同时受地球大气散射太阳光影响,太阳周围又形成了比日冕亮5000到10000倍的明亮光辉,所以平时是看不到日冕的。日冕的密度更加稀薄,大约每立方米10-15个粒子,而温度更高,达上百万度。日全食时肉眼看到或拍到的照片上日冕的最大范围只有几个太阳半径,但实际上广义的日冕可超过地球以远。日冕是非常不均匀、不稳定的。即使在日全食的白光观测中,也能看到太阳边缘的投影日冕有许多明显不同的结构。随着时间的推移,日冕会呈现出不同的形态。

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图4 日全食照片(2009/7/22)。中心的黑色圆面为月亮,在月轮边缘上呈现的粉红色锯齿形部分为色球,色球外面的银白色光辉是日冕。

三、太阳辐射的光和热

太阳辐射主要是“光”辐射,即电磁辐射,它是太阳辐射能量的最主要的形式。肉眼能够看到的只是电磁辐射中的可见光波段。整个太阳电磁辐射包括从γ射线、X射线、紫外、可见光、红外,直到射电波段的米波区。太阳电磁辐射的能量主要集中在可见光和近红外波段,波长2000~10000埃之间的辐射能占太阳总辐射能的99.9%。其中,3800~7600埃的可见光波段约占40%,短于3000埃的紫外波段约占7%,长于7000埃的红外波段约占53%,X射线和射电波段对总辐射能的贡献可以忽略。

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图5 太阳的电磁波辐射

太阳除了源源不断地传播光和热,偶尔还会发发脾气——爆发耀斑,喷射大量出高能粒子流,发生日冕物质抛射事件,引起地球附近一系列的空间环境扰动,这些我们称之为太阳风暴,由于受到地球大气和地球磁场两个天然屏障的保护,人类自身感受不到太阳风暴的到来。但是,它们却能够对日地空间的环境状态产生明显的影响,对在空间运行的航天器造成威胁,间接影响我们的日常生活。因此,太阳风暴对日地空间环境的影响不可小觑。

那么,太阳辐射的总能量到底有多少呢?我们把在地球大气外垂直于太阳光束的单位面积上、单位时间内接受到的太阳辐射能量称为太阳常数,数值为1367瓦/平方米。将该数值乘以日地距离为半径的球面,就得到太阳的光度,即太阳单位时间内辐射的总能量,约为3.845×1026瓦。这个能量是地球上全部发电能力的千万亿倍!

四、太阳是个“中年大叔”

正是来自太阳的光和热温暖着地球,维持着人类生存以及地球上一切生命活动所必需的适宜环境。我们看到的四季变化、昼夜交替、风云雨雪、植物生长……无一不是太阳作用的结果。那么,太阳的寿命是多长呢?以目前太阳对氢的消耗速度计算,太阳还能如此燃烧大约50亿年,现在的太阳正处于它的“中年”。 之后,太阳将经历红巨星、白矮星、黑矮星直至消失的阶段。

因此,地球暂时不用考虑去流浪。当太阳老去的时候,相信人类已经找到了拯救自己的办法。因为人类文明的出现不过上万年,但是已经取得了令人惊叹的成就,如果能一直和平稳健发展的话,未来人类带着地球去流浪也是完全可能的。

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