例題集

ふく射伝熱(2) 黒体全ふく射と太陽系

適用レベル   難易度: ★★★
太陽から受ける地球大気表面の熱流束を太陽定数と呼ぶ. 太陽定数$E_0= 1370 \,\rm{W/m^2}$,太陽の半径$R_s=6.96×10^8 \,\rm{m}$,太陽と地球の平均距離$L=1.5×10^{11} \,\rm{m}$としたとき,太陽の表面温度$T_s$を求めよ. ただし,太陽を黒体とみなせ.
ステファン--ボルツマンの法則により,太陽表面の黒体ふく射熱流束は, \[E_s=\sigma T_s^4\hspace{30px}\cdots(1)\] (ここで,$\sigma=5.67×10^{-8} \,\rm{W/(m^2K^4)}$はステファン•ボルツマン定数) 太陽表面を球体①とし,地球公転軌道は太陽を中心とした球体②に含まれるものとする. 球体①と球体②におけるふく射エネルギー(ふく射熱流束×面積)は保存されるので, \[E_s \left(4\pi R_s^2\right)= E_s \left(4\pi L^2\right)\] \[E_sR_s^2=E_0L^2\hspace{30px}\cdots(2)\] 式$(2)$に式$(1)$を代入して, \[\sigma T_s^4 R_s^2= E_0 L^2\] \[ \begin{align}T_s&=\left(\frac{E_0 L^2}{\sigma R_s^2}\right)^{\frac{1}{4}}\\ &=\left\{\frac{1370\times\left(1.5\times10^{11}\right)^2}{5.67\times10^{-8}\times\left(6.96\times10^8\right)^2}\right\}^{\frac{1}{4}}\\ &=5.79\times10^3\,\rm{K}\end{align} \]