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环境与保护

太阳的能量

2010-08-20

作为太阳系中心天体的太阳,是距地球最近的一颗能够向空间辐射光和热的恒星,也是地球外部能量的主要来源。对地球上的人类来说,太阳是地球以外最重要的天体。

(1)  太阳的热核反应

太阳是一个直径约为1.4×106km的巨大灼热气体球,其质量是地球质量(6×1021t)的33.3万倍,占太阳系总质量的99.87%。但由于它的体积是地球的130万倍,所以平均密度只有水的1.41倍,大约和类木行星相似,相当于地球的14左右。

太阳表面的温度约为6000K=5726℃),所以看起来呈橙黄色。中心部分温度推测可高达1.5×107K,密度达到水的160倍。在这种高温、高压条件下,组成34太阳物质的氢元素会失去外层电子,仅剩的内部原子核称为质子。质子在以极大速度运动时可以克服彼此间的静电斥力,发生猛烈的碰撞,由4个氢原子核聚变成为1个氦原子核。这种不断进行的热核反应,使太阳成为一所巨大的天然原子能工厂。

太阳内部发生的热核反应中,存在爱因斯坦在狭义相对论中指出的质量和能量转化关系,即著名的“E=mc2公式。4个氢核在聚变前的总质量是4×1.0079=4.0316m0m0原子质量单位,以碳原子的112为标准),而1个氦原子核的质量是4.0026m0,每次核聚变就亏损0.029m0的质量。由于真空中光的速度达到约3×105kms,所以很少一点质量可转化为巨大的能量。根据推算,1克氢核聚变为氦核大约产生6281×108J(或1500×108cal)的热能,相当于燃烧15t石油或2700t煤所发出的能量。

(2)  太阳辐射和质量损耗

由于太阳体积的巨大和热核反应频频发生,就能源源不断地以电磁波(含可见光、紫外线、红外线、无线电波、X射线和γ射线)的形式向四周放射能量,是整个太阳系光和热的主要源泉。

太阳辐射输出能量可以作如下计算:在日地平均距离(1.496×108km)处的地球大气顶界,垂直于太阳光线的1cm2面积上,每分钟接受的太阳辐射能量称为太阳常数,以热量单位表示为8.25J

根据太阳常数乘以假设被太阳光垂直照射的半个地球圆面积,就可获得一分钟内太阳向地球辐射输送的能量,其值为π×6.371×1082cm2×8.25Jcm2·min=1.052×1015J,大约相当于燃烧4×108t烟煤产生的热量。一年中太阳给地球的热量累计相当于100×1016KW·h电,是目前全世界总发电量的几十万倍。

从太阳系整体角度看,地球吸收到的热量仅是太阳辐射总量中的很小一部分。我们采用以日地平均距离为半径的球面上,每分钟每平方厘米获得的太阳常数乘以整个球面积,其值为8.25Jcm2·min×4π×1.496×10132cm2=2318cm×1028Jmin=38.62×1025Js,高出地球吸收到能量的11个数量级。

太阳在大量释放能量的过程中,每秒钟内由于核聚变而损耗的质量达到4×107t。由于目前太阳的热核反应状态已维持50亿年左右的历史,假定能量辐射率基本不变,累计损耗的质量可达6.305×1022t,也只不过是太阳全部质量1.989×1027t0.03%。根据银河系内部不同演化阶段的恒星演化史推算,太阳现在仍处于壮年期,它的寿命估计可达到100亿年。所以从人类历史的时间尺度来看,太阳的热核反应和能量辐射是取之不尽的能量来源。