身邊的天文學(xué)

最近，我國東方超環(huán)實(shí)現(xiàn)了7000萬攝氏度的長脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行1056秒。

東方超環(huán)這類裝置，有著一個更響亮的名稱——托卡馬克。這是由蘇聯(lián)科學(xué)家在上世紀(jì)50年代發(fā)明的一種環(huán)形容器。它是一個環(huán)形真空室，其中遍布強(qiáng)大磁場。在托卡馬克中，強(qiáng)大的磁場對帶電等離子體來說本身就是一個容器，沒有任何實(shí)物直接和等離子體接觸，所以等離子體可以被加熱到很高的溫度。當(dāng)?shù)入x子體的溫度足夠高，高到其中氘氚原子核的熱運(yùn)動可以克服彼此之間的庫倫勢壘(兩個原子核要接近至可以進(jìn)行核聚變時所需要克服的靜電能量壁壘)時，它們就會撞到一起，形成氦原子核，釋放出一個中子和大量能量，這就是核聚變。

核聚變同樣是太陽的能量來源，這也是這類裝置被稱為“人造太陽”的原因。不過其中還隱藏著一個有趣的事實(shí)——其實(shí)，太陽的溫度沒有“人造太陽”高，發(fā)熱功率密度甚至還不如人。

“純天然”不如“人工仿”

“人造太陽”的溫度比真正的太陽還高，說的當(dāng)然不是太陽表面的區(qū)區(qū)5500攝氏度，雖然人類仍然沒有能承受這么高溫度的材料，但想要達(dá)到這個溫度還是很輕松的，電弧焊的電弧溫度往往就能高達(dá)6000—8000攝氏度。我們真正需要對比的，是發(fā)生核聚變的太陽核心，那里的溫度在1500萬攝氏度左右。

乍一看，1500萬攝氏度是一個非常高的溫度。但只要將“純天然”的太陽和“人造太陽”對比一下，就會發(fā)現(xiàn)竟然是“人造太陽”的溫度更高，而且?guī)缀醣忍柕臏囟雀吡艘粋€數(shù)量級。1500萬攝氏度的溫度甚至不足以讓氫原子核越過庫倫勢壘，發(fā)生聚變。只有依靠量子隧穿效應(yīng)，我們才能解釋為何太陽核心溫度這么低也能發(fā)生核聚變。

也正是因?yàn)樘柡诵臏囟忍?，其聚變功率密度大約只有276.5瓦/立方米。人體發(fā)熱功率大約在100瓦量級，體重在100千克量級，按水的密度估計人體的體積，人體的發(fā)熱功率密度就已經(jīng)到了1000瓦/立方米。考慮到人在閱讀時大腦的運(yùn)轉(zhuǎn)會消耗更多能量，并且大多數(shù)人的體重也不會達(dá)到100千克，因此人的發(fā)熱功率密度甚至能比太陽核心高一個量級。

當(dāng)然，這并不代表人類就可以“飛上天和太陽肩并肩”了。人體會發(fā)熱，也會散熱，冬天我們需要穿的厚一點(diǎn)，正是為了減少散熱、維持體溫。而太陽核心為了維持它核聚變的“體溫”，用整個太陽來保暖，這可比我們穿的羽絨服厚多了。更何況在太陽之外就是真空，太陽的大部分能量只能通過黑體輻射的形式散發(fā)出去，散熱效率就更低了。所以太陽核心的溫度要比人體溫度高得多。

發(fā)熱功率低反而是好事

既然太陽發(fā)熱功率密度這么低，它又如何給地球生態(tài)圈提供能量呢?原因很簡單，太陽很大，也很“長壽”。

太陽的總質(zhì)量占整個太陽系總質(zhì)量的99.86%，半徑在70萬千米左右，是地球的110倍。其核心半徑約占整體半徑的1/5—1/4，就算發(fā)熱功率密度較低，它仍能靠龐大的身體產(chǎn)生極大的能量。在太陽核心中，每秒大約有3.6×1038個氫核聚變，將430萬噸的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成能量。這樣的能量在太陽表面以可見光的形式向外界輻射出去，就算遠(yuǎn)在8光分(光一分鐘行走的距離)外的地球軌道上，經(jīng)過大氣層的衰減，太陽輻射仍能在地表達(dá)到每平方米1千瓦左右的水平。

太陽核心較低的發(fā)熱功率密度，也給我們帶來了一個好處——它很“長壽”，能燃燒很久。雖然人體發(fā)熱功率密度更高，但如果人不從外界攝取能量，大概一周就會“涼涼”，發(fā)熱功率降低到0。太陽從50億年前點(diǎn)燃核聚變的那一刻起，就沒從外界攝取過任何能量，而它大約還能再燃燒50億年。

持久穩(wěn)定的能量供應(yīng)，是地球生命誕生的重要條件之一。宇宙中第一批出現(xiàn)的恒星比太陽大得多，核心溫度也比太陽更高，核聚變速率也比太陽高得多，但正是因?yàn)槿紵锰^劇烈，第一代恒星往往在幾百萬年內(nèi)就燃盡了自己，這么短的時間是遠(yuǎn)不足以支持復(fù)雜生命誕生的。正是因?yàn)樘柡诵牟粔?ldquo;熱”，我們?nèi)祟惒诺靡哉Q生。(據(jù)《環(huán)球科學(xué)》)

標(biāo)簽： 太陽 功率