Pytanie:
Czy w Słońcu jest ciemno?
Swike
2020-03-06 02:18:38 UTC
view on stackexchange narkive permalink

To może brzmieć dziwnie, ale ostatnio coś mnie skłoniło do przemyślenia.

Przezroczystość plazmy we wnętrzach gwiazd może być dość wysoka, co prowadzi do krótszych wolnych ścieżek dla fotonów. W takich warunkach wydaje mi się, że światło, które teoretycznie mógłbyś zebrać, zakładając, że masz parę niezniszczalnych oczu zanurzonych we wnętrzu Słońca, byłoby światłem emitowanym przez plazmę w twoim bezpośrednim otoczeniu, prawda? Jeśli więc nieprzezroczystość jest wystarczająco duża, mogę sobie wyobrazić miejsca wewnątrz gwiazdy takiej jak Słońce, w których panuje takie samo oświetlenie otoczenia jak w typową bezksiężycową noc na Ziemi.

Moje pytania to:

  • Czy ten tok rozumowania jest prawidłowy?
  • Czy takie warunki są rzeczywiście możliwe wewnątrz gwiazdy?
  • Gdzie dokładnie wewnątrz gwiazdy te warunki są możliwe?
Warto pomyśleć: jeśli twoje niezniszczalne gałki oczne zostały wbite w rozgrzany do czerwoności pręt żelazny (o stałej temperaturze), czy byłby w stanie zobaczyć czerwone światło z żelaza?
@ivella zanurzenie w świecącym luminolu może być lepszym (i mniej bolesnym) paralelą niż wbijanie w żelazny pręt.
@Mindwin, ale proces, który sprawia, że ​​żelazo świeci na czerwono, jest taki sam, który sprawia, że ​​słońce świeci: promieniowanie ciała doskonale czarnego.
Może w prostszy sposób: „ciemność” oznacza brak fotonów. Jest dużo i ** dużo ** fotonów, więc nie może być ciemno.
W nocy tak.
Promieniowanie ciała doskonale czarnego nie jest „procesem”.
„Ciemność” implikuje brak fotonów… Pomyślałbym, że „ciemność” oznacza brak fotonów w widmie widzialnym
Dwa odpowiedzi:
Rob Jeffries
2020-03-06 02:27:23 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Nie, nie jest. Pole promieniowania we wnętrzu Słońca jest bardzo zbliżone do widma ciała doskonale czarnego.

Jeśli spojrzysz w jakimś konkretnym kierunku, jasność (moc na jednostkę powierzchni) to $ \ sigma T ^ 4 $ , gdzie $ \ sigma $ jest stałą Stefana. Nawet przy określonej długości fali zawsze jest tak, że ciało czarne o wyższej temperaturze jest jaśniejsze niż ciało czarne o niższej temperaturze.

Biorąc pod uwagę, że temperatura wewnętrzna może wynosić 10 USD ^ 7 \ \ mathrm K $ , to jasność powierzchni wynosi $ 5,7 \ times 10 ^ {20} \ \ mathrm {W / m ^ 2} $ , w porównaniu z 1400 $ \ \ mathrm {W / m ^ 2} $ , które dostałbyś patrząc bezpośrednio na Słońce ( proszę nie rób tego ). Zwróć uwagę, że większość tej mocy pochodzi z promieni rentgenowskich, ale ze względu na właściwości ciała czarnego jasność przy widzialnych długościach fal będzie nadal dużo jaśniejsza niż słoneczna fotosfera (patrz poniżej).

Możliwym źródłem nieporozumień jest termin „nieprzezroczystość”. Kiedy rzeczy są w równowadze termicznej, jaką jest wnętrze Słońca, wówczas emitują taką samą ilość promieniowania, jaką absorbują. Tak wysokie krycie oznacza również wysoką emisyjność.

Interesujące szczegóły:

Krycie, $ \ kappa $ we wnętrzu słonecznym waha się od 1 cm $ ^ 2 $ g pośrodku do około $ 10 ^ 5 $ cm $ ^ 2 $ g tuż pod fotosferą. Aby oszacować średnią swobodną ścieżkę fotonów, musimy pomnożyć ją przez gęstość $ \ rho $ i wziąć odwrotność: $ $ \ bar {l} = \ frac {1} {\ kappa \ rho} \. $$ Gęstość waha się od 160 g / cm $ ^ 3 $ w środku do około 0,001 g / cm $ ^ 3 $ tuż pod fotosferą. Tak więc średnia swobodna droga wynosi około 6 mikrometrów w środku i jest w rzeczywistości dość podobna tuż pod fotosferą (osiąga szczyt na około 2 mm w trzech czwartych drogi w kierunku powierzchni).

Zatem twój " widok "wnętrza gwiazdy jest zamgloną kulą o promieniu nie większym niż kilka razy $ \ bar {l} $ . Mgła jest jednak niesamowicie jasna - jak opisano powyżej.

Jasność przy określonych długościach fal jest proporcjonalna do funkcji Plancka $$ B_ \ lambda = \ frac {2hc ^ 2} {\ lambda ^ 5} \ left (\ frac {1} {\ exp (hc / \ lambda k_B T) -1} \ right). $$

Zatem w $ \ lambda = 500 $ nm (światło widzialne), stosunek jasności ciał czarnych przy 10 $ ^ 7 $ K (wnętrze słoneczne) do 6000 K (fotosfera słoneczna) to 4,2 $ \ times 10 ^ {4} $ . tj. nawet biorąc pod uwagę widzialne długości fal, wnętrze Słońca jest około 40 000 razy jaśniejsze niż fotosfera.

Ponieważ średnia droga swobodna jest tak krótka w obszarach o dużej gęstości, fotony „gromadzą się” wewnątrz. Kiedy jest używane do oszacowania strumienia fotonów lub pola promieniowania, czy [prawo Stefana – Boltzmanna] (https://en.wikipedia.org/wiki/Stefan%E2%80%93Boltzmann_law) musi być w jakiś sposób dostosowane, aby to uwzględnić? btw [Czy wewnątrz ciała stałego znajduje się widmo fotonów ciała doskonale czarnego?] (https://physics.stackexchange.com/q/479644/83380) wymaga lepszej odpowiedzi i [Czy widmo światła widzialnego z „rozgrzanego do czerwoności szkła” jest przynajmniej blisko Blackbody Radiation?] (https://physics.stackexchange.com/q/254099/83380) może również przydać się przegląd.
pytanie o szkło wciąż mnie niepokoi; jak widzialna część widma może być ciałem czarnym, jeśli szkło nie jest czarne w świetle widzialnym (nadal można przez nie widzieć, gdy jest gorące). Zgaduję, że w astronomii dzieje się to cały czas ...
@uhoh i tam odpowiedziałem. Jeśli widzisz przez to, to nie emituje promieniowania ciała doskonale czarnego. Jeśli absorpcja zależy od długości fali-i, to jej widmo może mieć kształt ciała doskonale czarnego.
@uhoh Nie wiem, co masz na myśli mówiąc „buduj”. Gęstość energii pola promieniowania jest również proporcjonalna do $ T ^ 4 $. Jest całkowicie niezależny od średniej swobodnej ścieżki lub jakiejkolwiek innej właściwości wytwarzającego ją gazu.
Etalon nie jest dobrą analogią, ale może pomóc po prostu wyjaśnić, co rozumiem przez „budowanie”. Być może [sfera integrująca] (https://en.wikipedia.org/wiki/Integrating_sphere) to inny, ale podobnie niedoskonały przykład. Jeśli skieruję 1 wat światła na jeden koniec etalonu, zbiorę (prawie) 1 wat z drugiego. Ale gdybym spróbował strumienia fotonów wewnątrz długiego Etalonu, używając czegoś z małym czujnikiem, który mierzy tylko z jednej strony i użył tego do oszacowania strumienia fotonów, powiedziałbym, że strumień jest zgodny z 100 lub 1000 W, a nie 1 W . Dzieje się tak z powodu „nagromadzenia się” fotonów.
Nie mówię, że 5,7E + 20 jest koniecznie daleko od siebie i nie mówię, że liczba nie byłaby proporcjonalna do $ T ^ 4 $, zastanawiam się nad stałą mnożenia dla strumienia fotonów ze względu na silne rozpraszanie / bardzo krótka średnia wolna droga. Załóżmy, że wykonam następujące czynności; umieść fotodiodę w środku rozgrzanej do czerwoności szklanej kuli i wykonaj pomiar. Następnie stawiam całość na środku większej kuli o silnie odblaskowej matowej powierzchni, dzięki czemu światło „gromadzi się” w wyniku dziesiątek lub setek rozproszeń. Mój odczyt licznika na środku mojej szklanej kuli pójdzie w górę!
@uhoh ciało czarne absorbuje wszystkie fotony, które na nie pada. Nie odzwierciedla żadnego z nich. Etalony są generalnie monochromatyczne. Nie ma to jak promieniowanie ciała doskonale czarnego. Twój drugi przykład nie osiąga żadnej równowagi; również nie jest ciałem czarnym.
okej, powiedziałem, że są to „analogie” (i to niezbyt dobre), a nie * przykłady *, więc oczywiście możesz powiedzieć, że to nie to samo. Poprosiłeś mnie o wyjaśnienie, „co masz na myśli, mówiąc„ budować ””, a ja po prostu wyjaśniłem, co mam na myśli, mówiąc „budować”. Sprzeczasz się z czymś, czego nie powiedziałem. * Poszukam gdzie indziej * strumienia fotonów w funkcji temperatury, być może w książce lub artykule, i porównam go ze Stefanem-Boltzmannem, aby sprawdzić, czy do dopasowania twojego prostego argumentu $ \ sigma T ^ 4 $ wymagana jest znaczna stała proporcjonalności.
@uhoh A może możesz zadawać pytania jako pytania (na Physics SE).
@RobJeffries Doskonale! Zobaczę, czy zrozumiałem ten pomysł. Jeśli głębokość optyczna materiału wynosi około kilku mikrometrów, oznacza to, że kiedy jestem wewnątrz Słońca, obserwuję plazmę w bardzo małej kulistej objętości (wielkości bakterii) wokół mojego oka i że reszta Słońca jest ukryty przede mną, jakby nie istniał.
Ale ponieważ głębokość optyczna jest związana z nieprzezroczystością i jesteśmy w równowadze termicznej, ta duża nieprzezroczystość oznacza, że ​​szalona mała kula plazmy wokół mojego oka również pochłania szalenie dużą ilość energii i nagrzewa się tak mocno, że świeci jasno lub jasno. nawet jaśniejszy niż powierzchnia Słońca widziana z zewnątrz. Czy to jest poprawne?
Tak. Zasadniczo byłoby to trochę tak, jakbyś znajdował się wewnątrz jasno oświetlonej chmury gęstej mgły: wszystko, co możesz zobaczyć, to świecąca mgła tuż przed twoimi oczami. (Mechanizmy mikroskali są nieco inne, ponieważ kropelki mgły odbijają i rozpraszają światło, podczas gdy cząsteczki plazmy pochłaniają je i ponownie emitują ciepło, ale efekt końcowy jest ten sam - bardzo krótka średnia droga swobodna dla fotonów.)
@swike Prawidłowo.
Co ciekawe, podczas gdy maksymalny rozkład długości fal w promieniowaniu ciała doskonale czarnego (jeśli kiedykolwiek widziałem oksymoron ...) jądra Słońca byłby promieniowaniem rentgenowskim, to promieniowanie sięgało do radia; w szczególności jądro Słońca jest jaśniejsze niż powierzchnia w zakresie widzialnym. Zobacz https://ase.tufts.edu/cosmos/view_picture.asp?id=1332.
„w porównaniu z 1400 W / m2, które można uzyskać patrząc bezpośrednio na Słońce”. ** Nie patrz bezpośrednio na Słońce! **
@CJDennis Rzeczywiście. Dodano ostrzeżenie.
MooseBoys
2020-03-07 04:15:04 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Pochodzące z innego kierunku niż @ Rob's, Nieprzezroczystość i Promieniowanie cieplne to ortogonalne właściwości materiału. Strumień fotonów we wnętrzu Słońca jest bardzo duży, więc na pewno nie jest ciemno . Jednak jest ono nieprzezroczyste dla praktycznie całego światła poza słońcem.

Dla porównania, jeśli znajdujesz się w zamkniętym pomieszczeniu bez okien, nie widać niczego poza pomieszczeniem . Jeśli włączysz latarkę w pokoju, nie jest już ciemno, ale nadal jest nieprzezroczysta dla świata zewnętrznego.



ⓘ
To pytanie i odpowiedź zostało automatycznie przetłumaczone z języka angielskiego.Oryginalna treść jest dostępna na stackexchange, za co dziękujemy za licencję cc by-sa 4.0, w ramach której jest rozpowszechniana.
Loading...