眾所周知,太陽表面溫度很高,約5500攝氏度,中心溫度高達(dá)1500萬攝氏度,是一個大火球。
之所以能產(chǎn)生如此高的溫度,僅憑化學(xué)反應(yīng)根本不可能實現(xiàn),這是因為太陽內(nèi)部正在進(jìn)行著氫聚變?yōu)楹さ暮司圩兎磻?yīng),正是這種反應(yīng)提供了源源不斷的能量。
說到這個溫度,很多人可能都不信,因為他認(rèn)為根本測量不出來,太陽上的溫度太高了,而且距離我們太遙遠(yuǎn)了,就算能登上去,也會被融化,所以他認(rèn)為專家不可能親自上去測,這些溫度都是編的。不過,這還真不是編的,而是根據(jù)科學(xué)原理測算出來的。
溫度計通常是利用固體、液體、氣體類材料受溫度的影響會在體積、電阻等方面發(fā)生變化為依據(jù),來測量溫度的。依據(jù)此原理制作的溫度計有玻璃液體溫度計(煤油溫度計、酒精溫度計、水銀溫度計)、氣體溫度計、液體壓力溫度計、電阻溫度計、熱電偶溫度計、雙金屬溫度計等。
就拿我們常用的水銀溫度計來說,它就是利用水銀的熱脹冷縮現(xiàn)象進(jìn)行測溫。
該溫度計的主體材料是玻璃,玻璃是非晶體,沒有固定的熔點,普通玻璃差不多在五六百攝氏度的時候就會開始軟化,就算是特殊的玻璃,在上千度的高溫下也會變軟液化。
而且這些用來感溫的物質(zhì)也會發(fā)生物態(tài)變化,所以它們也有測溫范圍,超過了一定范圍就無能為力了。以水銀溫度計為例,水銀的凝固點是-39℃,沸點是357℃,所以它的測溫范圍是-39°C~357°C。
太陽上的最低溫度就是太陽表面的溫度——5500攝氏度,可就算是地球上已知熔點最高的物質(zhì)也不能抵抗。已知地球上熔點最高的物質(zhì)是鉿的化合物:五碳化四鉭鉿(Ta?HfC?),熔點4215℃。而在通常情況下,鋼鐵在1500多攝氏度的時候就能熔化為液體。
既然沒有物質(zhì)能夠抵抗如此高的溫度,那么不管是啥材料制造的溫度計,也無法到太陽上面去測量溫度,因為連溫度計也會融化。
就算真有無法被熔化的溫度計,要想測量太陽上的溫度也十分不方便,因為太陽距離地球1.5億公里,就算是將人類目前最快的探測器發(fā)射到太陽上,也需要一段時間,而且是個大工程。此外,探測器也必須要能夠承受非常高的溫度,不然怎么把測溫數(shù)據(jù)發(fā)回地球。
那該怎么測呢?有大聰明說,可以等晚上太陽下山了再上去,不知道是否可行。
上述溫度計都有同一個特點,就是溫度計需要與被測物體接觸。那測量過程中,必然會發(fā)生熱量傳遞,如果溫度太高、熱量太大,就算僅接觸1秒,也會被瞬間融化。
因此,要想測量太陽的溫度,就必須采用那種非接觸式的溫度計。
科學(xué)家發(fā)現(xiàn),任何溫度在絕對0度(零下273.15℃)之上的物體,都會無時無刻地向外輻射出不同頻段的電磁波組成的電磁波譜。物體的熱輻射與溫度之間存在對應(yīng)關(guān)系,通過分析物體輻射出的光譜,再根據(jù)黑體輻射的基本規(guī)律,也就是普朗克定律,就能夠確定物體的溫度。
這種非接觸式的測溫儀器就是通過測量物體發(fā)出的電磁波來測量溫度的,這種溫度計通常被叫做輻射溫度計。
這類測溫儀器,其實大家已經(jīng)很熟悉了,現(xiàn)在大家用來測量體溫的測溫儀,就屬于紅外輻射溫度計。只是在天文上給太陽測溫比這復(fù)雜,不是簡單量一下就能得出結(jié)果的。并且這種測溫方式也只能測量太陽表面的溫度。
科學(xué)家們通過測量太陽在不同波段輻射出的電磁波的強度,繪制出太陽的電磁波譜曲線,然后把該曲線與普朗克黑體輻射定律給出的理論曲線進(jìn)行擬合,就能確定太陽表面的溫度。
相較于測量太陽表面的溫度,測量太陽核心處的溫度就更加困難了。
因為太陽核心處被厚厚的輻射層、對流層、光球?qū)印⑸珳貙拥劝?,這里面發(fā)射的電磁波是不可見的,被遮擋了,根本無法直接測量。這些電磁波或者說光子,從誕生那一刻起,需要經(jīng)歷上萬年乃至數(shù)十萬年的時間,經(jīng)歷無數(shù)次的碰撞吸收以及再輻射,才能從核心區(qū)域到達(dá)太陽表面,最終以光速輻射到地球上,此時早已經(jīng)丟失了最初的信息。
沒有可用的電磁輻射,利用輻射法也就根本測不出太陽內(nèi)部的溫度了。
不過,科學(xué)家了解到,核反應(yīng)越劇烈,核心處的溫度也就越高,劇烈的核反應(yīng)會釋放出數(shù)量眾多的中微子。中微子只是一種非常小的粒子,幾乎可以無阻礙地穿過太陽厚厚的外殼。人類通過在地球上捕捉不同能量中微子的通量,就能據(jù)此反推出太陽核心處的溫度。這里測量的是中微子輻射。
科學(xué)家們可以根據(jù)地震波來探究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu),同理,通過觀測太陽表面的震動現(xiàn)象,也可以研究太陽內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。在獲取到太陽內(nèi)部的結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)后,科學(xué)家們也能據(jù)此推算出太陽不同區(qū)域的溫度。
正是因為測量困難,所以在20世紀(jì)下半葉核物理學(xué)以及量子力學(xué)發(fā)展成熟之后,科學(xué)家才大致摸清了太陽內(nèi)部不同區(qū)域的溫度。
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