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太阳此时宣布的光需求10万年仍是8分钟抵达地球其实两者都有

2020-04-05 18:14:12 来源: 责任编辑:责任编辑。陈微竹0371

“鸟儿在暴风雨后歌唱,难道人们不应该尽情享受剩下的阳光吗?”——罗斯·肯尼迪

我们大家都知道太阳发出的光需要大约8分钟达到地球,因为光速是有限的,但又有人说太阳此刻发出的光十万年后才能到达地球,因为光子想要从核心逃逸出来至少需要十万年的时间。

以上的说法看起来貌似都是正确的,真实的情况是怎样的?我们今天就聊下这样的一个问题。

假如没有核聚变,太阳能量的唯一来源将是引力势能的释放。事实上,这是上个世纪早期开尔文勋爵关于太阳能量来源的最初想法,他认为太阳会跟着时间的推移在引力的作用下不断地缩小,在这样的一个过程中,大量地引力势能会转化为热能,通过太阳表面释放出来。

这是一个非常绝妙地想法,但是引力势能地释放只能为太阳提供大约1亿年的能量,这个时间远远不足以解释我们在地球上观察到的地质、生物,它们的变化和存在的时间。但是有些恒星,比如:白矮星(包括上图中的天狼星B)正是由凯尔文-亥姆霍兹机制驱动的,但它们的亮度只有太阳的百万分之一。

而我们太阳的能量来自于核聚变的过程,在这样的一个过程中,轻核聚变为重核,同时释放出大量的能量(通过E = mc^2)和高能光子。

但是,核聚变只会发生在恒星的核内,而恒星外层大量的电离原子(质子、原子核和自由电子)会阻挡高能光子到达太阳表面,也就是说,光子想要从核心到恒星表面并逃逸,这一路上会经历随机散射,每个光子所经历的路径都是不同的,所以我们也称之为随机漫步。因此这些碰撞会产生大量的、更冷的、携带不同能量的光子:紫外线、可见光和红外线,而不是最初在核心产生的伽马射线。

核聚变的工作方式主要是通过一系列的轻原子核融合实现的,其中两个质子首先被融合成一个氘,然后氘被聚变产生氦-3或者氚,氦-3或氚与一个氘被聚变产生氦-4,然后释放出副产品质子或中子,连同中微子和高能光子。

中微子可以源源不断地从核心到表面被释放,过程中不会受到干扰。

高能光子经历大量的碰撞,需要数万到数十万年才能离开太阳表面。

核聚变的产物要么是稳定的,要么具有衰变性,要么进一步的融合反应,但所有这些过程都发生在太阳内部。

实际上,想要驱动太阳内部的核聚变,仅凭太阳内部的高温、高压是不够的,还需要量子物理学,换句话说:即使在太阳最核心的能量,可能超过1500万K的温度,但仍然不足以驱动聚变反应的发生。相反,在这样的温度下,只有很小的量子力学概率,大约每10^28次碰撞中就有1次相互碰撞的粒子会通过量子隧穿效应进入一个融合的、更重的原子核状态。由于太阳的密度和温度非常高,所以每秒钟就有4×10^38个质子被聚变成了氦。

然而,所有这些反应都发生在远离太阳表面的地方。即使量子物理学的隧穿效应,要进行所有的聚变反应,至少需要达到4000000开尔文左右的温度,而这一温度在太阳辐射层一半的地方就结束了。(超过99%的核聚变发生在核心。)所以,没有一点一种为太阳提供能量的核反应发生在离表面足够近的地方。

但是,太阳还存在着其他的一些现象:日冕周围存在着高温等离子体。这种高温的离子化等离子体能够达到数百万度的温度,而太阳光球层的温度只有6000度。此外,太阳耀斑、太阳内部的上升流、大规模的喷射以及更多的现象使太阳的温度在某些地方会异常升高。

虽然这些影响都不会产生任何额外的核反应,但它们确实会改变太阳实际的能量排放状况。上文中太阳的光谱分布只是理想的状态。

下图是太阳光谱的真实的情况。

太阳实际的光谱中,在紫外线和X射线波段有更高能能量。(实际情况中也不包括伽马射线),如果我们分别通过单个特定波长的光来观察太阳,就会知道为何会这样。下图

在可见光下,除了太阳黑子温度较低,太阳表面温度分布相当均匀。在紫外线下的模式大致相同。但是当我们进入更短波长的光谱(能量更高)时,这些能量区域只会出现在太阳耀斑和日冕附近。

从太阳最外层发出的光,也就是太阳的光球层和日冕发出的光,就是宇宙中任何物体被加热到一定的温度所发出的光,也就是黑体辐射,但实际上,辐射不仅仅来自太阳表面这个一个黑体,而是一系列的黑体。一些辐射来自太阳的稍内部(温度较高),一些辐射来自稍外部(温度较低)。这就是怎么回事如果我们仔细观察太阳的发射光谱,我们就会发现,在更高的能量下,甚至是在所有的能量下,太阳光谱都偏离了完美的黑体辐射。

总结一下

在太阳内部发生的核聚变反应都是在内部进行的,在这样的一个过程中产生的光子需要经过多次碰撞的情况下才能到达太阳表面。

太阳的外层(光球层和日冕层)是太阳发射光子的地方,这些光子中,包括来自各个层的光子,最内层核心的光子需要10万年到达表面,而不同的层需要不同的时间,最外层的光子一出生就能理解离开太阳。

日冕是太阳中最热的部分,它是紫外线和x射线辐射的主要来源,只有在日全食时才可见。

在太阳发光区域不会发生核反应,但有时会因为太阳耀斑而发生激波加热,这可能会导致超高能量的伽马射线的发射。

有必要注意一下的是,虽然核聚变发生在太阳内部,能量和高能光子也在核心产生,但来自内部的能量加热了太阳所有不同的层,包括最外层,在达到一定温度的情况下,最外层的原子会根据相应的温度发射光子,这就是阳光中不同频率光子的来源。因此太阳除了内核,外层也会发射光子。

但是太阳的核聚变只会发生在核心,不会发生在离太阳表面足够近的地方。内核所发出的光子需要数万年的时间才能到达我们的眼睛,而外层的光子只需要8分钟就能够达到地球。

如果我们想看到马上看到太阳内部此刻的生成物,我们就必须使用中微子望远镜。

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