光竟然有压力?《张朝阳的物理课》探讨太阳光压( 二 )
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然后 , 把辐射层与核心层交界处的压强记为P1 , 接着对流体静平衡方程积分得到关于P1的公式:
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对于上式 , 张朝阳讲解了估算思路 , 把Mr近似为核心层质量 , 密度用辐射层平均密度代替 , 于是得到:
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他解释 , 这个公式和前面Pc的公式很相似 , 前面的因子大致相同 , 从而辐射层平均密度是核心层平均密度的多少分之一 , 就会导致P1是Pc的多少分之一 。根据P1的公式 , 可以把辐射层的压强估算为:
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也就是说 , 平衡所需的压强正比于密度的一次方 。他又立马转到另一方面说道 , 辐射区的理想气体压强是:
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它不仅正比于密度 , 还正比于温度 , 而温度是随着半径增大而下降的 。他强调 , 理想气体的压强终究会下降到无法提供足够的压力与引力平衡 。
张朝阳解释 , 必须考虑另一种压力 , 那就是光压 。在核心层理想气体的压强很大 , 足以与引力形成平衡 , 并且光压很小 , 可以忽略 。而到了辐射层 , 这一点就不成立了 , 物质气体提供的压强变得比较小 , 无法与引力形成平衡 , 这时候光压的作用相对来说更大 , 因此必须考虑光压才能重新得到平衡的结果 。
他进一步解释 , 太阳核心产生的高能光子会在太阳内部不断地与离子碰撞 , 导致平均行进速度非常缓慢 。在辐射层 , 这些光子会提供一个量级可观的压力 , 用以抵抗引力的收缩 。照射到人身上的太阳光的光压是很小的 , 我们感受不到 。但是在太阳内部这种极端环境下 , 光压会非常大 。
推导黑体辐射的光压公式估算太阳辐射层光压量级
为了进一步分析辐射层的光压 , 张朝阳先带网友们推导黑体辐射的压力公式 。他将黑体辐射的能量密度记为u , 黑体辐射通量密度为I , 根据斯特番-波耳兹曼定律 , I=σT^4 。辐射通量密度是指黑体单位表面单位时间所辐射的能量 , 它包含了各个方向的辐射 , 因此 , 还需要考虑沿特定方向的单位时间单位面积辐射的能量 , 即面辐射强度 。张朝阳将面辐射强度记为I_Ω , 其中Ω是下标 , 用于标明它是沿特定立体角的辐射能量 。
他先建立u和I_Ω的关系 。张朝阳表示 , 某一处的辐射能量 , 可以看成是由包裹住这一处的球表面所发射的辐射汇聚而成的 。为了简化 , 我们考虑一个半径为r的球面 , 然后计算球心(dr)^3范围内的辐射能量密度 。取球面处的面积微元dS , 则球心处大小为(dr)^3的区域对dS的张角dΩ为:
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设从dS发出的辐射逗留在(dr)^3里的时间为dt , 那么dt=dr/c , 其中c是光速 。所以 , 从dS发出逗留在(dr)^3的辐射能为:
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