16.3: 太阳能内部-理论
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学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 描述太阳的平衡状态
- 了解太阳的能量平衡
- 解释能量如何通过太阳向外移动
- 描述太阳能内部的结构
只有当温度超过1200万K时，质子聚变才可能发生在太阳中心。我们怎么知道太阳真的这么热？ 为了确定太阳内部可能是什么样子，必须进行复杂的计算。 由于我们看不到太阳的内部，我们必须利用我们对物理学的理解，再加上我们在地表看到的东西，来构建一个关于内部必须发生的事情的数学模型。 天文学家利用观测结果来构建计算机程序，其中包含他们认为自己所知道的关于太阳内部正在发生的物理过程的所有信息。 然后，计算机计算出太阳内部每个点的温度和压力，并确定正在发生哪些核反应（如果有的话）。 对于某些计算，我们可以使用观测值来确定计算机程序产生的结果是否与我们所看到的结果相符。 通过这种方式，该程序会随着观测结果的不断改善而发展。
计算机程序还可以计算太阳将如何随着时间的推移而变化。 毕竟，太阳必须改变。 在它的中心，太阳正在慢慢消耗其氢气供应，而是产生氦气。 太阳会变热吗？ 更酷吗？ 更大？ 更小？ 更亮吗？ Fainter？ 最终，中心的变化可能是灾难性的，因为最终所有热到足以进行聚变的氢燃料都将耗尽。 要么必须找到新的能量来源，要么太阳将停止发光。 我们将在后面的章节中描述太阳的终极命运。 现在，让我们来看看为了进行这样的计算，我们必须教给计算机一些关于太阳的知识。
太阳是等离子体
太阳非常热，以至于其中的所有物质都以电离气体的形式出现，称为等离子体。 等离子体的作用很像热气体，它比液体或固体更容易用数学方式描述。 构成气体的粒子正在快速运动，经常相互碰撞。 这种持续的轰炸就是气体的压力（图\(\PageIndex{1}\)）。
在给定体积的气体中粒子越多，产生的压力越大，因为移动粒子的综合冲击会随着其数量的增加而增加。 当分子或原子移动得更快时，压力也会更大。 由于温度较高时分子的移动速度更快，因此较高的温度会产生更高的压力。
太阳很稳定
与大多数其他恒星一样，太阳是稳定的；它既没有膨胀也没有收缩。 据说这样的恒星处于平衡状态。 其中的所有力都是平衡的，因此在恒星内的每个点，温度、压力、密度等都保持在恒定值。 我们将在后面的章节中看到，即使是这些稳定的恒星，包括太阳，也在进化过程中发生变化，但是这种进化变化是如此渐进，以至于无论出于何种意图和目的，恒星在任何给定时间仍处于平衡状态。
太阳内部各个区域的质量之间的相互引力产生了巨大的力量，这些力量往往会使太阳向中心崩溃。 然而，我们从地球历史中知道，数十亿年来，太阳发射的能量大致相同，因此很明显，它在很长一段时间内都设法抵御了崩溃。 因此，必须用其他力来抵消引力。 这种力是由于太阳内部气体的压力造成的（图\(\PageIndex{2}\)）。 计算表明，为了施加足够的压力以防止太阳因重力而崩溃，必须将太阳中心的气体保持在1500万K的温度，想想这告诉我们什么。 仅凭太阳没有收缩这一事实，我们就可以得出结论，其中心温度必须足够高，质子才能进行聚变。
太阳通过以下方式保持其稳定性。 如果这样一颗恒星的内部压力不足以平衡其外部部分的重量，那么恒星就会在一定程度上崩溃，收缩并增加内部压力。 另一方面，如果压力大于上覆层的重量，恒星就会膨胀，从而降低内部压力。 膨胀将停止，当每个内部点的压力等于该点以上的恒星层的重量时，将再次达到平衡。 一个比喻是充气的气球，它会膨胀或收缩，直到内部和外部空气的压力达到平衡。 这种情况的技术术语是静水力平衡。 稳定的恒星都处于静水平衡状态；地球的海洋和地球的大气层也是如此。 空气自身的压力可防止其掉落到地面。
太阳没有降温
正如每个曾经在寒冷的冬夜打开窗户的人都知道的那样，热量总是从较热的地区流向凉爽的地区。 当能量向外过滤到恒星表面时，它必须从更热的内部区域流动。 当我们在恒星中向内移动时，温度通常不会变冷，否则能量会流入并加热这些区域，直到它们至少和外部区域一样热。 科学家得出的结论是，恒星中心的温度最高，朝向恒星表面的温度下降到越来越低的值。 （因此，太阳染色圈和日冕的高温似乎是一个自相矛盾的现象。 但是请记住，在《太阳：花园综艺之星》中，这些高温是由太阳大气层中发生的磁效应维持的。）
通过恒星的向外流会剥夺其内部热量，如果不替换这种能量，恒星就会冷却。 同样，热熨斗一旦断开电源，就会开始冷却。 因此，每颗恒星中都必须存在新鲜能量来源。 就太阳而言，我们已经看到，这种能量源是氢气的持续聚变形成氦气。
星空中的传热
由于产生太阳能量的核反应发生在太阳深处，因此必须将能量从太阳中心传输到其表面，在那里我们可以以热和光的形式看到它。 有三种方法可以将能量从一个地方转移到另一个地方。 在传导中，原子或分子通过与附近的其他原子或分子碰撞来传递能量。 例如，当你搅拌一杯热咖啡时，金属勺的手柄变热，就会发生这种情况。 在对流中，温暖物质的电流上升，将它们的能量带到较冷的层。 一个很好的例子是热空气从壁炉里冒出来。 在辐射中，高能光子会远离高温物质，被某些物质吸收，它们将部分或全部能量传递到这些材料上。 当你把手放在电加热器的线圈附近，让红外光子加热你的手时，你就能感觉到这一点。 传导和对流在行星内部都很重要。 在透明度要高得多的恒星中，辐射和对流很重要，而传导通常可以忽略。
此外，声波在恒星的能量传递中起着作用。 声波确实会穿过太阳内部 [使得有可能看到太阳另一端的黑子]，但不是在核心产生的。 与普遍的看法相反，核心是一个非常安静和宁静的地方。 人们常说，数百万枚原子弹在核心爆炸。 这是错误的。 核心产生的能量与普通花园堆肥堆中产生的能量一样 “剧烈”。 能量通过辐射传输（就像你坐在篝火前一样），物质是稳定和分层的，也就是说，不会像 [通过对流] 沸水那样 “翻转”。 你可以听到水沸腾的声音，但听不到辐射，所以，不是：核心中没有声学组件。 另一方面，在到达地表的大约3/4的路上，如果物质 “沸腾” 和 “滚动”，能量传输的效率会更高，因此会产生声波，可能像持续的嗡嗡声，但它被地表产生的声音所淹没。 表面能是热、光和声能的混合物。
恒星对流是在热气流上下流过恒星时发生的（图\(\PageIndex{3}\)）。 这种电流以中等速度传播，不会破坏恒星的整体稳定性。 它们甚至不会导致质量向内或向外的净传递，因为随着高温物质的升高，冷物质会掉落并取而代之。 如图所示，这会导致细胞上升和下降的对流循环\(\PageIndex{3}\)。 同样，来自壁炉的热量可以激发房间内的气流，有些上升，有些下降，而不会将任何空气带入或流出房间。 对流电流非常有效地将热量通过恒星向外传输。 事实证明，在太阳中，对流在中心区域和地表附近很重要。
除非发生对流，否则通过恒星传输能量的唯一重要方式是电磁辐射。 辐射不是恒星中能量传输的有效手段，因为恒星内部的气体非常不透明，也就是说，光子在被吸收之前不会走太远（在太阳中，通常约为0.01米）。 （在 “光谱线的形成” 一节中讨论了原子和离子可以中断光子向外流动的过程，例如电离化。） 吸收的能量总是会重新发射，但它可以向任何方向重新发射。 在恒星中向外移动时吸收的光子向恒星中心辐射回其表面的几率几乎与向恒星表面辐射的几率一样大。
因此，特定数量的能量几乎是随机地曲折的，从恒星的中心到其表面需要很长时间（图\(\PageIndex{4}\)）。 估计值有些不确定，但正如我们所看到的，在太阳下，所需的时间可能在10万到100万年之间。 如果光子在途中没有被吸收和重新发射，它们将以光速传播，并且可以在2秒多一点的时间内到达地表，就像中微子一样（图\(\PageIndex{5}\)）。
传热和烹饪
热能从较高温度区域转移到较冷地区的三种方式都用于烹饪，这对于我们所有喜欢制作或吃食物的人来说都很重要。
传导是通过物理接触传热，在此期间，一个区域中粒子的能量运动扩散到其他区域，甚至扩散到密切接触的相邻物体。 一个很好的例子是在热铁煎锅上煮牛排。 当火焰使煎锅底部变热时，其中的颗粒会主动振动并与相邻的粒子碰撞，从而将热能散布到整个煎锅中（均匀散热量的能力是选择炊具材料的关键标准）。 坐在煎锅表面的牛排通过煎锅表面的颗粒与牛排表面的颗粒碰撞来吸收热能。 许多厨师会在锅上加一点油，这层油除了防止粘住外，还通过填补空隙和增加接触表面积来增加传热。
对流是物质运动产生的热传递，物质由于热且密度较低而升起。 加热流体会使其膨胀，从而降低其密度，因此它会上升。 烤箱就是一个很好的例子：火在烤箱底部，加热那里的空气，使其膨胀（密度降低），因此它会上升到食物所在的位置。 上升的热空气通过对流将火中的热量带到食物中。 这就是传统烤箱的工作原理。 您可能还熟悉对流烤箱，它使用风扇循环热空气，以实现更均匀的烹饪。 科学家会反对这个名字，因为依靠热空气上升来循环热量的普通非风扇烤箱是对流烤箱；从技术上讲，使用风扇帮助移动热量的烤箱是 “平流” 烤箱。 （你可能没有听说过这件事，因为那些大声抱怨滥用对流和平流这两个术语的科学家并不了解太多。）
辐射是通过电磁辐射传递热能。 尽管微波炉是利用辐射加热食物的一个明显例子，但一个更简单的例子是玩具烤箱。 玩具烤箱由一个非常明亮的灯泡提供动力。 儿童厨师准备布朗尼蛋糕或饼干的混合物，将其放入托盘中，然后将其放在明亮的灯泡下的玩具烤箱中。 灯泡发出的光线和热量击中布朗尼混合物并煮熟。 如果你曾经把手放在明亮的灯光附近，你无疑会注意到你的手被灯光变暖了。
模特明星
科学家们使用我们刚才描述的原理来计算太阳内部是什么样子。 这些物理思想以数学方程表达，求解这些方程式以确定整个太阳的温度、压力、密度、光子被吸收的效率以及其他物理量的值。 根据一组特定的物理假设获得的解为太阳内部提供了理论模型。
该图\(\PageIndex{6}\)示意性地说明了太阳内部理论模型的预测。 能量是通过太阳核心的聚变产生的，太阳核心仅延伸到地表的四分之一左右，但所含的约占太阳总质量的三分之一。 在中心，温度最高达到约1500万K，密度几乎是水的150倍。 核心中产生的能量通过辐射传送到地表，直到它到达从中心到地表距离的70％左右的点。 此时，对流开始了，能量在剩下的路上传输，主要是通过不断上升的热气柱传输。
该图\(\PageIndex{7}\)显示了从太阳中心到其表面的温度、密度、能量产生速率和成分是如何变化的。
关键概念和摘要
尽管我们看不见太阳的内部，但可以计算出太阳内部必须是什么样子。 作为这些计算的输入，我们使用我们对太阳的了解。 它完全由热气制成。 除了一些非常微小的变化外，太阳既没有膨胀也没有收缩（它处于静水平衡状态），并且以恒定的速率释放能量。 氢的聚变发生在太阳的中心，产生的能量通过辐射和对流带到地面。 太阳模型描述了太阳内部的结构。 具体而言，它描述了压力、温度、质量和亮度如何取决于与太阳中心的距离。
词汇表
- 传导
- 当原子或分子碰撞导致相邻区域之间存在温度差异时，热量直接通过物质传递的过程
- 对流
- 在重力的影响下，由于较热、因此密度较低的物质呈上升趋势，导致气体或液体内部的移动，而较冷、密度较高的物质倾向于沉没，从而导致热量传递
- 静水力平衡
- 各层（例如恒星或地球大气层）的重量与支撑它们的压力之间的平衡
- 辐射
- 以电磁波或光子形式发射能量也是传输能量本身