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既然太阳远不可靠近,那么人类怎么测量它的大小温度?

zhao_admin11个月前 (06-26)科学课件54

太阳核心温度是根据太阳质量和年龄推算出来的。

太阳表面温度是用黑体辐射公式计算出来的。不知道你有没有拿金属(铁之类的)在火炉上烧过。温度比较低的时候,是暗红色的,温度逐渐升高,发光的光波波长越短。实际上就算是常温下,物体也会发光,只不过发出的是波长超长,肉眼看不见的红外线。科学家经过测量,找到了物体发光波长与温度之间的关系。通过测量太阳光的中心波长,就可以计算出太阳表面温度了。而且人类是可以制作出6000°C温度的,对比一下就知道计算得对不对了。另外我们常用的红外线测温仪也是利用黑体辐射公式计算的。准确度是经得起实践经验的。

至于太阳的照片,一般是望远镜拍的。普通望远镜加上巴德膜就可以拍太阳。专业的日珥镜只透过很窄的氢阿尔法波可以记录下日珥的玫瑰红色以及精细结构。

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天体的温度不可能用接触测量的方法,目前一般使用光谱分析的方法,不同温度的物体向外辐射的可见或不可见光波长是不一样的。

要了解人类是如何知道太阳的温度的,先来个概念,维恩位移定律:

▲黑体辐射作为各种绝对温度的波长函数。每条曲线在不同的波长上都能达到峰值;维恩定律描述了温度峰值的变化。维恩位移定律指出,不同温度下的黑体辐射曲线在波长上的峰值与温度成反比。这个峰值的变化是普朗克辐射定律的直接结果,普朗克辐射定律描述了在任何给定温度下,黑体辐射的光谱亮度是波长的函数。黑体辐射的光谱辐射单位波长峰值的波长λmax:

λmax=b/T

▲随着温度的降低,黑体辐射曲线的峰值会降低到较低的强度和较长的波长。其中T为绝对零度,b是一个比例常数称为维恩位移不变,等于2.8977729(17)×10^(-3) m⋅K,在微米或更方便地获得波长,b≈2900μm·K。如果考虑每单位频率或比例带宽的黑体发射峰,则必须使用不同比例常数。然而,定律的形式仍然是一样的:峰值波长与温度成反比(或者峰值频率与温度成正比)。

总结一下:在任何大于0K(-273oC)的物体都会发出热辐射,不同的温度的物体会辐射出不同波长分布的电磁波。

▲生活中温度的测量一般就是依据某些材料随温度的变化性质,然后这样的规律显示温度。例如在加热一块金属时,温度越高,金属从暗红,到通红,到亮红,然后发亮,发白(红光的波长最大)。

如果我们知道太阳光的光谱,那么就可以知道相应的温度。太阳光最主要的光是可见光,我们知道峰值波长为0.5μm,有上述公式求得最高温度为5800K。

有其他的λ 就可以知道太阳不同层面的温度。▲棱镜分光法白色的光束代表了可见光的许多波长,其中有7个,当它们在真空中以相同的速度行进时,棱镜会使光线减速,从而使光线在折射过程中弯曲。这种效应在较短的波长(紫色端)比在较长的波长(红色端)更强烈,从而分散了成分。当离开棱镜时,每个组件返回相同的原始速度,并再次被折射。解释这个概念前面的动画,光的色散,当它通过一个三角形的棱镜。在真空(黑色)所示,任何波长的光将以固定速度,但是光减慢在不同介质(如玻璃或水),和更短的波长的光(如靛蓝)会比光传播的慢长波长(如红色)白光,白色表现出来的光束,实际上是由几个频率(颜色)的光一起旅行。可见光的这些基本频率是我们所称的可见光谱的一部分,它只是整个电磁波谱的一小部分。当白光进入介质(在这种情况下,棱镜),它的每一个组成波长将以不同的速度在新的介质中传播,而这一速度的变化是弯曲光线传播的路径。这就是我们称之为折射的现象。在真空中光速与介质中光速的比率是我们所说的折射率,这个值是特定波长和介质的。由于不同波长的光将以不同的数量改变方向,我们将在其构成光谱颜色中体验到白光的分裂,在这里以彩色波表示。这就是所谓的离散。一旦基本频率在这个动画中分离,我们就能很容易地看到它们的速度上的差别。红色,波长较长,几乎没有任何变化,而靛蓝(短波)则被其他颜色所抛弃。然而,这种速度上的差异并不存在于真空中,这就可以看出,当光从棱镜中射出时,光在真空中会以恒定的光速传播。这只是一种简单的观察方法,所以再次强调这个模型并不完全准确,白光本身不能独立存在是很重要的。

所谓太阳高清近距离的图有各种方法

▲太阳近距离高清照片显示快速移动的火热炽热气体流持续从太阳表面喷射,这些扭曲的管状气体喷射流叫做“穗状体”,直径为300英里,从太阳表面以 45000英里/小时的超音速喷射。在图片右下角有一较小的太阳黑子,它是太阳表面暗色气体区域,太阳黑子可持续数天或者数月,其数量的增多和减少的周期为11年。

▲由美国天体摄影师艾伦·弗里德曼(Alan Friedman)10月20日拍摄到一张壮观的太阳照片,以极其清晰的视角展现了这颗距离地球最近的恒星。

▲这些照片是弗里德曼用相对小的望远镜加滤光镜捕捉的。当然还有更壮观的:

▲这两张是SOHO(太阳和日球层探测器)上的广角光谱日冕仪 (LASCO)捕捉到的太阳活动

▲太阳动力学天文台(SDO)拍摄的太阳冕洞。

▲SDO拍摄到两个壮观的太阳冕洞,一个位于太阳的中上侧,另一个位于照片底部。

▲SDO捕捉到的太阳耀斑爆。

▲画面显示太阳表面9种不同颜色的的波长,这些波长人类肉眼无法捕捉,只有望远镜才能观看;但NASA太阳动力学观测站则将其转化为肉眼可观看的图像,而且使用9种颜色予以区别。

▲通过不同波长观测结果拼凑成一个太阳的图片。通过这种观测方法,科学家们可以监测太阳的表面和大气,掌握太阳的活动规律。太阳的表面含有的物质,在温度超过5700摄氏度时,可以发出黄绿色光芒;原子在630万摄氏度时,会发出紫外线。

▲SDO观测到一个来自太阳木星大小的太阳黑子群的x级太阳耀斑爆发。

▲SDO拍摄的地球凌日。关于人类探测器能飞到太阳多近?看看人类都发射了哪些著名的太阳飞船。(时间不分先后)

欧美合作的尤利西斯号太阳极区探测器

尤利西斯号探测器目标之一是探测太阳的极区,其轨道与黄道面成几乎垂直的倾角。为了到达这样一条轨道上,探测器首先于1992年2月8日接近木星,借助木星的引力调整到太阳极轨上,开始向太阳的高纬度地区飞行。1994年6月26日,尤利西斯号第一次接近太阳南极,并于同年9月13日到达太阳南纬最高点80.2度。

SOHO卫星是欧洲航天局及美国太空总署共同研制的无人太空船,于1995年发射升空。

太阳和日球层探测器(SOHO)作为研究太阳的重要探测器,SOHO卫星原设计寿命是三年,后来为了观测将在2000年左右达到高峰的太阳表面黑子活动,欧洲空间局和美国航宇局决定把SOHO卫星的探测期限延长到2003年。但该卫星的功能和作用实在太大了,研究太阳活动的专家们已离不开它,制作空间天气预报的科学家们更是不能缺少它。所以到目前,SOHO卫星仍在太空空间为科学研究工作着。

太阳探测器(Solar Probe,现更名为Solar Probe +)帕克是第一个飞入太阳日冕的飞行器,仅仅位于太阳“表面”(光球)上方8.5 太阳半径(590万公里或3.67万英里)内。

太阳过渡区与日冕探测器

TRACE卫星上携带的太阳望远镜口径为30厘米,视场为8.5角分,空间分辨率达到了1角秒,波段范围覆盖了可见光到远紫外波段。

▲TRACE卫星于2002年4月21日在太阳活动区域AR9906观测x射线耀斑。TRACE卫星是美国宇航局为太阳活动极大年而发射的第一颗太阳探测器,它升空后与太阳和太阳风层探测器(SOHO)互为补充,为研究太阳的日冕结构、加热机制、光球层磁场的变化等课题进行了大量的观测。

▲日地关系观测台(STEREO)其主要任务是对日地之间的物质和能量流进行监控。搭载在STEREO探测器上的相机是英国建造的。由两颗相距180度的探测器组成,部署于太阳两侧,一颗总在地球前进方向的前方,另一颗总在后方,并以此获取太阳的3D立体图像。

▲日冕抛射物图像。太阳动力学观测站(SDO)太阳动力学观测站(SDO)是美国宇航局“与星同在”计划中发射的第一颗人造卫星。“与星同在”计划(Living With a Star Program)是一个旨在研究太阳活动的原因以及太阳活动对地球的影响的科学计划。SDO通过多波段的成像仪对太阳大气进行高空间分辨率和高时间分辨率的观测;SDO的数据可以帮助我们理解太阳对地球的影响以及近地空间环境的一些现象。SDO卫星在美国东部时间2010年2月11日在亚特兰大发射升空,并且一直正常运转到今天。

为了能够保证卫星对太阳的连续观测以及保证相对很高的数据下载率,卫星被设计位于一个与地球位置相对不变的轨道上。

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