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怎样计算太阳的表面温度?

火星科普2年前 (2021-09-20)106

太阳的温度非常高,其表面温度可达5500摄氏度,人类目前所能制造出的最耐高温材料在这种温度下也会发生熔化。并且太阳距离地球很遥远,我们不可能直接用工具测量出太阳的温度。不过,通过分析太阳的光谱可以知道太阳表面的温度。

对于任意温度高于0 K的物体(已知的任何物体都是这样),它们都会向外辐射出特定的电磁波,其电磁波谱的形状取决于温度。举例来说,一块铁被加热时,它的温度不断升高,其电磁波谱的特征也会不断发生变化,对应看起来的颜色也会随之改变。铁的温度较低时呈现为红色,而温度较高时呈现为白色。

对于黑体(完全吸收电磁波的理想物体)而言,在任意一个温度下,其电磁波的辐射率和波长关系可以由普朗克黑体辐射定律进行描述:

普朗克黑体辐射定律

上式中,I(λ,T)为辐射率,h为普朗克常数,c为真空中的光速,λ为波长,k为玻尔兹曼常数,T为温度。

虽然黑体只是一种理想物体,但恒星与黑体的相似高达99.9%,所以恒星可视作黑体,它们也会遵循普朗克定律。根据普朗克定律,可以绘制出在某一温度下,电磁波的辐射率和波长之间的关系图:

普朗克黑体辐射定律

通过测量太阳在不同波段辐射出的电磁波强度,可以绘制出太阳的电磁波谱曲线,然后把该曲线与普朗克黑体辐射定律给出的理论曲线进行拟合,这样就能确定太阳表面的温度。结果表明,在5772 K,即5499 ℃的温度下,拟合度非常高,所以这个温度即为太阳表面的温度。

太阳辐射波谱

另一方面,根据黑体辐射原理,还可以得到如下的斯特藩-玻尔兹曼定律:

斯特藩-玻尔兹曼定律

或者

上式中,L表示恒星的光度(辐射功率)、r表示恒星的半径,σ表示斯特藩-玻尔兹曼常数(5.67×10^-8 W/m^2/K^4)、T表示恒星的表面温度。

可以看到,只要知道太阳的光度和半径就能计算出太阳的表面温度。

通过位于太空中绕地球飞行的人造卫星,可以测出太阳照射到地球轨道上的辐射功率S(又称太阳常数)为1361 W/m^2,也就是说,地球轨道上每平方米的面积在每秒钟接收到的太阳能量为1361 J。

由于太阳在单位时间内向各个方向辐射出的能量基本上的均匀的,所以根据如下的公式可以把太阳光度和太阳常数联系起来:

L=4πd^2·S

其中d表示日地距离,大小约为1.5亿公里。因此,由上式能计算出太阳光度为3.828×10^26 W。

根据日地距离和太阳视直径,可以知道太阳的半径约为6.957×10^8 m。

综上,把太阳光度和半径参数代入斯特藩-玻尔兹曼定律,可以计算出太阳的表面温度T≈5772 K。

天信大众:这种计算只是根据表象算出来的,我的理解是没有什么燃料可以连续燃烧几十亿年而不衰减,只有一种可能,就是太阳根本没有燃烧,我们看到耀眼的光斑,只是太阳离子运动的一种现象,包括我们感受到的温暖也是太阳离子运动的一种现象。

天信大众:有谁真正测量过太阳表面温度?还有科学家说太阳表面温度只有27度的说法。

网友d412390:多读书,地球几十亿人呢

独自一人nU:什么温度计能测量6000摄氏度

随缘钓鱼c0a36:什么猜,以上很明确是通过科学计算出来的

馃挐鑹炬睈馃挐:伟大的神创造宇宙万物,人却不认识祂,却又生活在其中,神的定律永不改变,就像1十1等于2,它从哪来的呢?从神而来!太阳的温暖只有神知道,因为是祂创造了2个大光,太阳和月亮。又造众星摆列在天空,普照在地上,管理昼夜,分别明暗。神看着是好的。

ddjdms:搁体温计量

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