太阳和地球之间的太空冷到不行么?为何太阳光照到地球却能变热?

什么是热?

要搞清楚这个问题,首先,我们要搞清楚什么是“热”。如果我们用经典物理学的视角来看这个问题,热的本质其实是微观粒子运动的剧烈程度。那这句话是什么意思呢?

我们都知道,万事万物其实都是由粒子构成,比如:分子和原子。而这些粒子并不是整整齐齐排排队,一动不动的。相反,它们其实是一直处于运动状态。

而它们运动的剧烈程度的宏观体现实际上就是温度高或者温度低,我们通常用分子的平均动能来描述这件事情。如果平均动能越高,也就是总体上粒子运动得越剧烈,温度就越高。相反,如果平均动能越低,分子总体的运动越不剧烈,温度也就越低。

也就是说,我们觉得某个地方很热,实际上是这个地方的粒子的运动程度要更加剧烈一些所导致的。(这里要注意一个问题,关于这个“热”的定义,其实是建立在足够的粒子数的基础之上,如果只有极其少的粒子数,其实并不能体现出温度来。)

那么问题来,为什么太阳的辐射可以让地球升温呢?

热的传递

要搞清楚热量的传递,实际上就得先搞清楚热量都有哪些传递的方式,目前来说一共有三种,分别是:热对流,热传导以及热辐射。

实际上,科学家发现,凡是高于绝对零度(零下273.15°)的物体都会发出热辐射,也就是说,其实咱们人体也在发出热辐射,之所以我们看不到是因为这个热辐射不在可见光波段而已。

而太阳辐射是非常强的一种辐射,之所以强,是因为太阳的内核正在发生核聚变反应,一般处于主序星阶段的恒星,都是氢原子核的聚变,生成氦原子核,同时产生释放出大量的能量,这些能量都以电磁波的形式向外辐射。

这就有点像是一颗超巨型的氢弹在持续向外输出能量,这个能量有多大呢?

太阳每秒钟要损失420万吨的质量,这些质量等效于一定的能量。(这个能量可以用E=mc^2来换算。)这些能量相当于1.8*10^12个沙皇氢弹,9.192*10^12万TNT炸药,都最终以电磁波的形式向外辐射了。

而我们要知道,电磁波辐射是不需要介质的,它其实是可以在真空中传播的,这速度就是光速c=3*10^8m/s。而宇宙是非常空旷的,宇宙的平均密度要低于一平米一个氢原子的水平。因此,就如同我们上文提到的,温度要体现出来的前提是足够多的粒子数,但太空中并没有。所以,热辐射可以很自由地穿行于宇宙当中。我们现在太空中还有宇宙微波背景辐射,是宇宙大爆炸时留下来的余热,它们就在宇宙中自由地传播,温度大概是2.7开尔文,也就是比绝对零度高2.7度。

由于太空的这个属性,使太阳辐射在传播过程中极少被削减,这才使得地球可以接收到太阳辐射。而地球相对于“几乎真空”的太空来说,简直就是一个物质密度极大的天体,分子数足够多,因此,这些热辐射可以使得地球上的分子运动变得剧烈,这也就是得地球的温度升高了,说白了就是构成地球的粒子的运动变得更加剧烈了。这也就是为什么地球可以接收到太阳能量的原因。

不过,如果太阳辐射都照到地球,地球就会变得非常热,生物根本不能存活。实际上,地球所接收到的太阳辐射只占总辐射量的4.5*10^(-10),而人类真的使用上的只有4.5*10^(-14)。

你可能感受不到这差别有多大,我们可以用钱来类比,如果太阳每秒向太空撒70万亿的钱,那么地球接收到的只有3万元左右,人类能够捡到的只有3元左右。其余的,大多都以热量的形式散失了,所以,我们对于太阳能的使用效率是极其低的。