太阳光发出数万年才到达我们眼里?我们看到的不是8分钟前的吗?

太阳光当然是8分钟前的。太阳平均距离地球1.496亿公里,光从其表面发出到达地球约需要500秒时间,一分钟为60秒,也就是说太阳光大约在8分20秒左右到达地球。所以我们看到的太阳光都是大约8分多钟之前发出的。

大家可能都在一些科普书籍或者文章里看到过太阳发光的原理。太阳是通过引力作用导致核心压力增加温度升高,当核心压力和温度达到足够高时(约3000亿个大气压、1500万开尔文),核心的氢就会被点燃核聚变,同时释放出大量的能量,当中包括了中微子和高能光子。


太阳光发出数万年才到达我们眼里?我们看到的不是8分钟前的吗?


在继续下去之前我们可以先来看一下太阳的结构图:

根据目前的理论模型,太阳内部分成不同的区域,从里到外分别是:氢核聚变所在的核心区(约中心半径1/4范围内)、光子向外辐射经过的辐射区(半径1/4到0.86倍半径范围内)、热交换的对流层(0.86倍半径到接近表面的范围内)、发出黑体辐射的光球层(表面厚度约500公里,这里是我们看到的太阳的可视边界)、色球层(表面厚度约2500公里)、日冕层(色球层外色球层产生的太阳风逃逸区)。


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前面说到,在核心区发生的氢核反应后释放出大量的中微子和高能伽马光子,其中中微子由于不参与电磁相互作用,而且个头极小,因此中微子在太阳的等离子海洋里几乎畅通无阻地辐射出来。由于中微子质量极小,速度接近光速,因此它们实际上在被氢核反应辐射出之后约8分多钟就会到达地球,但同样由于前述原因,它们绝大多数会畅通无阻地穿透地球而去,不会带给地球任何来自太阳的能量。只有极少极少部分会与地球物质发生相互作用并释放能量,其中包括被地球的中微子探测器拦截到的部分。

但是高能光子的运气就没那么好了,它们被氢核聚变反应辐射出来以后,由于光子本身参与电磁相互作用,在核心附近的等离子海洋中很快就被吸收。不过由于能量极高,被吸收的辐射很快又被释放出来,极高的能量产生的辐射压抵御了引力向内的收缩压力,达到一种微妙的平衡,使核心氢核聚变能相对缓慢的进行,不至于像氢弹一样一下子把所有核心的氢都点燃并迅速消耗完。正因这种微妙的平衡,使我们的太阳可以稳定地持续发光一百亿年。


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这种辐射的能量在向外传播的过程中渐渐降低,随着远离核心,温度逐渐降低的同时辐射出的光子频率也相应降低,从核心区的伽马射线,到辐射区的X射线,到远紫外线,到紫外线,当到达表面的光球层时,其热辐射谱的峰值已经在可见光范围内了。

因此我们看到的大量太阳光都是可见光,这其实也是一种自然选择的结果。

从伽马射线到可见光,这个吸收释放的过程有点曲折离奇,它类似于散射的过程,并没有确定的路径,因此这些伽马光子从核心核聚变中产生到到达太阳表面时,所经历的时间是也不一样的,最终的频率也不一样。

太阳光的光谱是一种与温度强相关的黑体谱,黑体谱是一种连续光谱,里面各种频率的光子都有,而太阳的表面温度约5770K,对应的黑体辐射光谱峰值在黄绿光附近,因此太阳光辐射主要都集中在可见光附近。


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虽然核心辐射到达太阳表面的时间不一样,频率也不愿意,正如它的辐射频率有一个峰值一样,其到达表面的时间也有一个平均值,大约数万年左右吧。但很明显,最终出来的那个光子早已不是核心所产生的那个光子了,太阳既然是黑体辐射,黑体辐射就是由其表面的温度产生的热辐射。因此,虽然太阳发光是由于核心核聚变,但太阳光实际上就是从表面发出的,所以它80分钟左右就到达地球了。


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