Können wir die Durchschnittstemperatur der Heliosphäre berechnen?

Nach meinem Verständnis kann man die Temperatur des Universums messen, indem man die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung misst. Könnten wir diese Methode auch zur Berechnung der Durchschnittstemperatur der Heliosphäre verwenden?

Die Durchschnittstemperatur des Universums wurde angeblich mit 2,735 Grad über dem absoluten Nullpunkt gemessen. Vermutlich berücksichtigt diese Messung die enormen Mengen an „leerem“ Raum, von denen ich mir vorstelle, dass sie einen großen Einfluss auf die Zahl haben.

Meine Frage: Können wir die Durchschnittstemperatur der Heliosphäre messen? Wenn ja, was ist es dann?

Dies könnte ziemlich schwer zu definieren sein, denn wie bestimmen Sie, wann unser Sonnensystem endet? Für den Zweck dieser Frage sollten also die folgenden Annahmen getroffen werden:

  • Die Entfernung von der Sonne zum Rand der Heliosphäre beträgt ungefähr 100 AE (ungefähr die Größe der Heliosphäre, gemessen von Voyager 1 ).
  • Angenommen, die Heliosphäre ist eine perfekte Kugel.
  • Angenommen, wir messen die Schwarzkörper-Äquivalenttemperatur (da dies gemessen wurde, um die Temperatur des Universums zu berechnen).

Wenn wir nicht wissen, wie wir diese Durchschnittstemperatur messen sollen (was wahrscheinlich ist, wenn wir nicht zwischen Mikrowellen innerhalb und außerhalb der Heliosphäre unterscheiden können), wie könnten wir diesen Wert dann theoretisch messen, wenn wir von einer perfekten Umgebung ausgehen?

Sie müssen definieren, was Sie messen möchten, da es zwei Dinge gibt, die Sie als "Temperatur" sehen können: die Schwarzkörper-Äquivalenttemperatur für die Strahlung und die statistische thermodynamische Temperatur für Partikel.
@Envite Guter Punkt, die äquivalente Temperatur des schwarzen Körpers ist das, wonach ich suche, wird bearbeitet

Antworten (1)

Die Heliosphäre wird hauptsächlich durch die Region definiert, die vom Sonnenwind gegenüber dem interstellaren Medium dominiert wird .

„Der Sonnenwind wird in zwei Komponenten unterteilt, die als langsamer Sonnenwind und schneller Sonnenwind bezeichnet werden. Der langsame Sonnenwind hat eine Geschwindigkeit von etwa 400 km/s, eine Temperatur von 1.4 – 1.6 × 10 6 K und eine Zusammensetzung, die der Korona nahe kommt. Im Gegensatz dazu hat der schnelle Sonnenwind eine typische Geschwindigkeit von 750 km/s, eine Temperatur von 8 × 10 5 K und es entspricht fast der Zusammensetzung der Photosphäre der Sonne."

Daher erhalten wir mit 1 Million Kelvin eine gute Schätzung der Durchschnittstemperatur der Heliosphäre.

Die Temperatur ist die Einfriertemperatur, die aus den durch SOHO gemessenen Ladungszuständen der Kohlenstoffionen abgeleitet wird . Daher ist es nicht die Schwarzkörpertemperatur, sondern eine vernünftige Temperaturdefinition für Sonnenwind.

„Aus Dichteverhältnissen benachbarter Ladungszustände wird auf Koronaltemperaturen geschlossen. Die aus einem gegebenen Dichteverhältnis abgeleitete Einfriertemperatur ist die Elektronentemperatur, die dieses Verhältnis in einer statischen Situation wiedergibt. Für die analysierten Eisenladungszustände verwenden wir die Ionisations- und Rekombinationsraten von Arnaud und Raymond [1992]". Weitere Details zur Temperaturmessung von SOHO finden Sie hier .

Wenn sich die Heliosphäre im thermodynamischen Gleichgewicht befinden würde, würde man nach dem Planckschen Gesetz oder dem Wienschen Gesetz den Peak bei etwa 3 nm im weichen Röntgenbereich erhalten . Aber die Gleichgewichtsannahme gilt wahrscheinlich nicht.

Für das heiße interstellare Medium wurden extreme Ultraviolettstrahlungsmessungen versucht ( CHIPSat ), einige erfolgreich ( EUVE ). Daher würden wir in einer idealen Umgebung die Strahlungsintensität über das elektromagnetische Spektrum messen, nach der Spitzenintensität suchen, das Wiensche Gesetz anwenden und die effektive Temperatur abrufen, die in einer idealen Welt mit der Schwarzkörpertemperatur identisch wäre .

Das Plasma der Heliosphäre ist sehr selten, daher fast durchsichtig. Deshalb spüren wir diese Hitze von etwa 1 Million Grad nicht. Mikrowellen spielen in diesem Temperaturbereich eine untergeordnete Rolle.

Ein Temperaturprofil der Sonnenkorona und der Heliosphäre ist zB auf den Seiten 42 und 47 dieser Übersicht dargestellt .

Es ist zu optimistisch zu erwarten, dass der Wind, der seit etwa einem Jahr unterwegs war und sich um mindestens einen Faktor von ausdehnt 10 6 im Volumen würde weder adiabatisch abkühlen, noch den größten Teil der Energie abstrahlen.
@AlexeyBobrick Es interagiert mit dem Magnetfeld der Sonne. Das Seltsame beginnt mit der Koronatemperatur von einer Million Kelvin, obwohl die Sonnenoberfläche unter 10.000 K liegt. Woher kommt die Wärme? Das Plasma kann nicht als Gas behandelt werden. Wir haben SOHO- und Voyager-Daten. Die Geschwindigkeit der Teilchen wird an der Heliopause durch interstellares Gas ( voyager.jpl.nasa.gov/mission/interstellar.html ) verlangsamt. Es scheint eine scharfe (nicht unbedingt konvexe) Grenze zwischen Heliosphäre und interstellarem Raum zu geben ( en.wikipedia.org/wiki/File:Solar_wind_at_Voyager_1.png )
„Die aus vier Paaren von Eisenladungszuständen berechneten schnellen und konsistenten Änderungen der Einfriertemperatur bestätigen die lückenhafte Struktur der Korona mit einigen Längenskalen 10 4 km und enthüllen das Überleben dieser Strukturen aus einigen Sonnenradien über I AU.“ des oben genannten SOHO-Papiers. Ich kann keinen Hinweis auf adiabatische Abkühlung oder Nettotemperaturverlust aufgrund von Strahlung finden, so plausibel es auch klingen mag .
Es scheint mir, dass Sie nicht zwischen der Massenbewegung des Gases (Plasma) und seinen thermodynamischen Eigenschaften, zum Beispiel Temperatur und Dichte, unterscheiden. Der Sonnenwind dehnt sich sicherlich bis 100 AE aus, wie bereits in der Frage erwähnt wurde, und hält wahrscheinlich die Massengeschwindigkeit ziemlich konstant, bis allmählich der Stoß durch die Kollision mit ISM überhand nimmt. Die Temperatur wird jedoch fast sofort sinken. Sie können die Kelvin-Helmholtz-Zeitskala eines Mols idealen Gases in einem angemessenen Volumen überprüfen. Der Wind wird: 1) abkühlen, 2) möglicherweise aufhören, im thermodynamischen Gleichgewicht zu sein.
Für Voyager haben wir nicht viel mehr als die Massenbewegung als grobe Idee. Bei SOHO ist das ganz anders: Zwischen einigen wenigen Sonnenradien und der Erdumlaufbahn scheint es keinen großen Gefriertemperaturunterschied zu geben. Die Einfriertemperatur ist viel niedriger als das Temperaturäquivalent der kinetischen Energie der Massenbewegung, aber immer noch 10 6 K. Ich kann nur vermuten, dass Energie durch Elektronen ausgetauscht wird, die sich viel schneller bewegen als die Ionen im Plasma, und auf diese Weise zu einem elektronenbasierten statt photonenbasierten Gleichgewicht führt, das von der Energie des Magnetfelds gespeist wird von der Sonne.
Siehe auch Problem der koronalen Erwärmung: en.wikipedia.org/wiki/Sun#Coronal_heating_problem
Aus dem SOHO-Papier, auf das Sie hingewiesen haben, scheint es wahrscheinlich, dass die Relaxationszeit für das Plasma aufgrund der Expansion ziemlich schnell lang wird, vergleichbar mit den Zeitskalen, die es braucht, um die Erde und damit höchstwahrscheinlich die Heliosphäre zu erreichen. In diesem Fall wird das Plasma einfach von jeglicher Thermodynamik, die innerhalb der Heliosphäre stattfindet, und allen damit verbundenen Temperaturen entkoppelt, bis es anfängt, das ISM zu schockieren.
Angesichts des oben Gesagten glaube ich nicht, dass dies die richtige Antwort auf die Frage ist, falls es welche gibt. In Ihrer Antwort und Ihren Kommentaren werden jedoch viele interessante Phänomene angesprochen.
Ja danke! Die Frage ist wirklich schwer zu beantworten, weil sie viele implizite Annahmen enthält, die nicht gut mit der Realität oder üblichen Definitionen übereinstimmen. Wenn Sie also eine Idee für eine bessere Antwort haben, können Sie uns gerne eine geben.
Ich bin nicht ganz zufrieden mit der Frage, sie zu beantworten. Für die abgefragte Temperatur gibt es keine eindeutige Angabe: Weder der Ort, noch die Komponente sind eindeutig festgelegt. Ihre Antwort macht in diesem Sinne viel mehr Spaß, sie gibt schließlich ein schönes Bild davon, was vor sich geht.
Danke vielmals! Es ist also vielleicht besser, wir lassen die Antwort so, wie sie ist.
Können wir die Durchschnittstemperatur der Heliosphäre berechnen?
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