太阳温度明明高达6000°C，为什么它周围的空间却接近绝对零度?

原创 瞻云 瞻云 2023-08-15 20:01 发表于江苏

众所周知，太阳的温度高达6000℃。

有人便有疑问了，太阳的温度明明如此的高，为什么它周围的宇宙空间却接近绝对零度？

对于这个问题我们不妨进行个思想实验：

我们假设，手上有一个不被摧毁的温度计。

我们把这个温度计放在太阳周围的宇宙空间，测得的温度会是多少？

这是太阳温度分布：

光球层：约6000K，也即我们通常理解的太阳表面。
色球层下部：约4100K
色球层上部：4100~2万K
过渡层：2万K~100万K
日冕：100万K~2000万K，引力、扩散力、离心力的综合作用，高温等离子体向太阳赤道蔓延形成。

日冕距离太阳表面15~20个太阳半径。所含粒子浓度达到10^15/m3。

所以，我们这个思想实验，必须远离日冕足够远。

因为距离日冕不够远的话，日冕的粒子就会加热温度计，让我们测出很高的温度。

其实，提问者疑惑的的，太阳周围宇宙空间温度接近绝对零度，在太阳近轨，都是不存在的。

当然，如果对于空旷的太阳系来说，这个周围空间指的是地球甚至更远轨道这样的尺度，还是存在的。

也就是说，只有是第二种情况时，提问者的疑惑在存在。

所以，就第二种情况，我们继续来进行这个思想实验：

太阳辐射出来的光，其实就是一个不断膨大的光球。

光球上的辐射密度，是随着半径的增长，成平方衰减的。

我们假设，我们温度计测的地点，就在地球和太阳距离的正中间。

也就是差不多100个半径的位置。

• 比较反常识的是，日地距离相当于200多个太阳半径。地球看太阳，大约相当于你看20公里外一个100多米大「30多层楼」的火球。

真实的太阳系天体比例

然而考虑到真实比例的距离后，却是如下夸张的尺度：

当太阳为1米的球体时，远距离已经看不清楚，而地球却在画面的边缘

那大家告诉我，当我们这个温度计恰好在太阳和地球正中间时，测得的温度是多少呢？

3000K?

0K?

其实都不是。

注意的是，我们这个理想的温度计，必须不受太阳辐射的影响。

要么太阳辐射完全穿过，要么被完全反射。

如果相反，我们预设的温度计是一个完全的黑体，能够完全吸收太阳辐射出来的能量。即便在地球轨道，测出来的温度，也高达80~120℃（具体看温度计的形状）。

因为哪怕地球这么远的距离，每平米太阳光的功率也高达1367W，相当于普通家用电磁炉的功率。

根据辐射定律B=σT^4，可知温度和热辐射密度是四次方关系。

而半径和面积是平方关系，面积和热辐射密度一次正相关。

太阳表面温度6000K，此时我们所处的位置，远至100个太阳半径时，太阳光的辐射密度会衰减为太阳表面的1/100^2。

所以，一个完全吸收辐射能量的黑体，表面温度为：

也就是说，即便那个不存在的黑体温度计，实际测得的温度也只有600K左右，而不是3000K。

那我们用一个完全不吸收太阳辐射的温度计，测得的温度又是多呢？

是0K左右吗？

其实也不是。

为什么测得的温度并不是0K呢？

因为太空不空（字面意义上的，而不是说量子涨落），即便是我们地球轨道附近的“真空”也是存在粒子的。

地球外太空的星际物质，大约每立方厘米5个粒子。

相对来说，人类制造的「真空」，每立方厘米的粒子，多达32000个。

即便太阳系之外的空间，也并不空。

我们的太阳系正在进入30光年的本星际云。

本星际云的粒子浓度为每立方厘米0.26个。

哪怕我们300光年范围内的本星系泡：

也有每立方厘米0.1个粒子。

放之整个银河系，同样不存在真的真空。

所以测出来的温度，不可能是绝对零度。

当完全不吸收太阳辐射时，地球外空间测得的温度大约是3K左右。

地球外太空的温度，其实也有太阳风的贡献。

如果我们只考虑太阳风的话，在100个太阳半径附近，测得的温度也仅仅只有接近10K左右。

总的来说，温度的本质是分子热运动。

受限于太阳风、太空粒子密度，所以太空的温度才接近绝对零度。

虽然太阳的能量很高，但主要是通过光子辐射到外太空。

只要光子不和你作用，温度自然不会受到太阳热辐射的影响。