Was ist die Strahlungsintensität der Himmelskugel?

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Insbesondere ohne Sonne und Mond:
Wie viel Energie erreicht Licht und andere Frequenzen im Durchschnitt einen Punkt im Raum, wenn Sie alle Quellen wie entfernte Sterne, Milchstraße, entfernte Galaxien, Nebel usw. addieren? Wie viel heller ist der Raum im Durchschnitt als "perfekte Schwärze"?

Nehmen wir an, wir haben eine magische Solarbatterie entwickelt, die einen Wirkungsgrad von 100% hat, alle elektromagnetischen Frequenzen absorbieren kann, kugelförmig, vollständig omnidirektional ist und eine Querschnittsfläche von (Radius 56 cm) hat. Wir haben es auf halbem Weg an Proxima Centauri gesendet und messen, wie viel Strom es erzeugt - wie viele Watt würden wir mit dem gesamten verfügbaren Sternenlicht aus der Batterie herausholen?1m2

Hinweis: Wenn "alle Frequenzen" nicht leicht erhältlich sind, ist das leuchtende Gegenstück zu den Strahlungswerten in Ordnung (nur unter Berücksichtigung des sichtbaren Spektrums).

SF.
quelle
Die Leistungsdichte aller EM-Strahlung an einem bestimmten Punkt im Raum hängt von der genauen Verteilung der EM-Quellen ab (dh wie weit und in welche Richtung). Wenn Sie beispielsweise der Sonne sehr nahe sind, ist die Leistungsdichte natürlich anders als in einem Lichtjahr - dieser -Faktor ist wichtig. 1r2
StephenG
@ StephenG: Auf jeden Fall ein Lichtjahr entfernt oder länger. Ich habe ausdrücklich darum gebeten, die "lokalen Quellen" auszuschließen - "Auf halbem Weg zu Proxima Centauri". Eine weniger "Science-Fiction" -Interpretation wäre jedoch "während der Umlaufbahn, während des Neumondes, mit dem Fahrzeug auf der Nachtseite, einen Weitwinkel zeigen Lichtmeter von der Erde entfernt und auslesen. Wie viele Watt / Steradian oder Lumen / Steradian liest es? (multiplizieren Sie mit 4pi für den ganzen Himmel).
SF.
Sie können dies selbst herausfinden. Sie wissen, wie hell die Sonne ist, wie groß sie ist und wie groß die anderen Sterne sind (Sie können die Änderung auf halbem Weg zu Proxima anpassen). Sie wissen auch, dass die Größe eine logarithmische Skala ist. Potenzieren, hinzufügen, und das war's auch schon. Ich kann helfen (Kontaktinformationen im Profil), obwohl ich es nicht für Sie tun werde.
Barrycarter
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Übrigens, wer auch immer dafür gestimmt hat, dies als zu breit zu schließen: "zu breit" ist, wenn die erforderliche Antwort für eine Q & A-Site zu lang ist. Hier ist die Antwort buchstäblich eine einzelne Zahl plus die Einheit. So etwas wie "2,7 Watt / m ^ 2" oder "11 Lumen" - Zahlen, die offensichtlich erfunden wurden, weil ich die richtigen nicht kenne.
SF.
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Diese Antwort von der Physik-Website könnte Ihre Frage etwas beantworten: [ physik.stackexchange.com/questions/196366/… (Antwort)
Agerhell

Antworten:

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Die elektromagnetische Energiedichte wird vom kosmischen Mikrowellenhintergrund und vom optischen / IR-Hintergrund dominiert. Diese Antwort von Physics SE enthält das folgende Diagramm, das den Beitrag der Energiedichte bei verschiedenen Frequenzen zeigt. Sie können dies "per Auge" integrieren, um zu sehen, dass der CMB-Beitrag der größte ist, dicht gefolgt von einer optischen / IR-Erhebung.

Ein Diagramm von (proportional zur Energiedichte pro logarithmischem Frequenzintervall) von Hill et al. (2018)νIν

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Das CMB ist ungefähr isotrope Schwarzkörperstrahlung mit einer Temperatur von 2,73 K und daher einer spezifischen Intensität von $Iν=2hν3c21exp[hν/kBT]1

Das Integral davon über alle Frequenzen ist

u=8π5(kBT)415(hc)3=4.2×1014  J m3

In Bezug auf die Leistung multiplizieren wir einfach mit , um Wm .c1.3×1052

Beachten Sie, dass Sie dies nur nutzen können, wenn Sie einen Empfänger haben, der kälter als der CMB ist.

Sie können den Beitrag des optischen Hintergrundlichts grob berechnen, indem Sie feststellen, dass der dunkle Himmel an einem guten, dunklen astronomischen Ort im V-Band etwa 22 mag pro Quadratbogensekunde beträgt. Nur etwa 0,1 bis 0,2 mag davon könnten auf Lichtverschmutzung an den besten astronomischen Standorten zurückgeführt werden (siehe zum Beispiel Benn & Ellison 2007 ). Es wird angemerkt, dass der Nullpunkt für die V-Band-Magnitudenskala Wm pro Angström für beträgt und das optische Band als 3000 Angström angenommen wird, und es gibt Quadratbogensekunden am Himmel, dann erhält ein Punkt im Raum Wm3.6×10122V=05.34×10111052 (oder vielleicht etwa die Hälfte davon, weil ein erheblicher Teil der Helligkeit des dunklen Himmels durch Luftglühen verursacht wird).

Dies stimmt ungefähr mit dem überein, was in der Darstellung gezeigt wird. Beiträge im mittleren Infrarot und bei kürzeren Wellenlängen als optisch tragen nicht nennenswert bei.

Es könnte angenommen werden, dass diskrete Quellen oder die Milchstraße mehr beitragen könnten, aber ich denke, dass dies nicht der Fall ist. Die Oberflächenhelligkeit der Milchstraße liegt nur etwa um den Faktor drei über der Helligkeit des dunklen Himmels, nimmt aber natürlich einen winzigen Bruchteil des gesamten Himmels ein.

Ein Weg, um zu sehen, dass diskrete Sterne nicht viel beitragen, besteht darin, zu beachten, dass der optische Fluss vom gesamten dunklen Himmel ungefähr 1000 Sternen nullter Größe oder Sternen bei 10 Größen entspricht. Beide Zahlen sind um Größenordnungen höher als die tatsächlichen Zahlen der galaktischen Sterne bei diesen Helligkeiten.107

Rob Jeffries
quelle
Gute Antwort. Ich denke, das OP war jedoch hauptsächlich an Licht im visuellen Bereich interessiert. Wenn Sie den gesamten visuellen Lichtfluss und eine vergleichbare Zahl finden (z. B. Sonnenlicht / Mondlicht / Venuslichtfluss), vergebe ich Ihnen das Kopfgeld.
Ingolifs
"Wie viel Energie, wie Licht und andere Frequenzen" @Ingolifs
Rob Jeffries
@Ingolifs: Es ist eine wertvolle Antwort und kombiniert sie mit der von Physics.SE verknüpften. Ich sollte in der Lage sein, Werte für "nützlichere" Frequenzen zu erhalten. Ich werde ein bisschen mit dem Akzeptieren warten, falls jemand bereit ist, etwas zu erweitern oder zu korrigieren, aber im Allgemeinen ist es ziemlich zufriedenstellend.
SF.
(Auch wenn diese Photonen viel zahlreicher sind, sind sie ziemlich energiearm. Ich bin mir nicht sicher, ob ein kleinerer, aber energiereicherer Anteil nicht mehr dazu beiträgt. Ich müsste die Zahlen dafür jedoch einstecken.)
SF.
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@sf Überarbeitet. Die CMB ist nicht so dominant, wie ich es mir beim ersten Blick auf die Handlung vorgestellt habe.
Rob Jeffries