同在太阳下,为什么太空寒冷而地球却很热?

我们平时说一个物体内部具有热量(能量),一般用温度这个物理量来衡量,温度越高说明物体内所具有的热量越多,温度越低说明物体所携带的热量较低。那么热量是如何产生的呢?热量其实是物体内分子随机运动的结果,运动越剧烈,分子平均动能越高,相应的温度就越高;运动得越缓慢、分子的平均动能越低,相应的温度也越低。

以上就是温度和热量之间的关系。在日常生活中,我们知道热量是会从一个高温系统到低温系统发生转移,这其实就是热传递的过程,一般我们会认为传递热量必须要存在介质碰撞以交换粒子动能或者存在能量载体的交换,但往往我们会忽视掉交换能量载体这一项,因此就产生了如题所说的疑问,太空是真空的太阳热量如何传递给地球?就像暖水瓶瓶胆中是真空的,可以保温一样。

热传递的方式

这个问题其实很简单,我们只需知道宇宙中存在哪些热传递方式就行了!热量或能量从一个系统到另外一个系统总共有三种传递方式:

热传导

我们知道任何物质是由有原子或者是原子组成的分子构成的,这些粒子会在物质中随机的运动以产生热量,如果一个高温物体与两外一个低温物体发生接触的话,表面的原子或者分子就会发生碰撞,那么高温物体由于温度较高,粒子所具有的平均动能就越高,在粒子与粒子之间的碰撞中,高动能粒子就会将自己的一部分动能传递给低动能的粒子。

那么表现出来的就是,平均粒子动能较高的物质温度降低,而平均粒子动能较低的物质由于粒子获得了运动速度所以温度就会升高。这种传递热量的方式在金属物质中表现得更为明显,这就是为什么在同样的温度下,我们拿铁东西会感觉更凉的原因。下面再举一个简单的例子。

我们人身体表面的温度是恒定的,而周围空气的温度会发生变化,当周围空气温度低于人身体的温度时,大量空气分子与我们身体在频繁的碰撞中就会把我们身体表面的热量带走,所以我们就会感到天气好冷。反过来,周围空气温度高于身体温度,说明空气分子运动的更加剧烈,在它们与我们人体表面碰撞的过程中,就会把动能传递给我们身体表面,我们就会觉得天气好热。

热对流

热对流一般指的是流体介质中发生的热交换过程,一般会通过流体的上升和下降会使得整个介质内快速的达到均衡的温度,例如:我们在烧水的过程中,锅底部的水会率先与锅底通过传导的方式交换热量,但是想要通过水中粒子和粒子的碰撞将底部的热量传递到上层,这个过程就比较缓慢,由于热对流的存在,底部的热水就会上升,而上部的冷水就会下降,形成循环,这样就会使得整个系统快速的获得热量,并达到温度均衡。

冬天的暖气,地球大气的热对流都是这样的。

热辐射

这种传递能量的方式是直接通过交换能量载体来实现的,并不需要任何的介质,不需要原子和分子的碰撞就可以实现能量交换。在宇宙中任何比绝对零度高的物体,也就是任何具有温度的物体都会向外辐射电磁波,温度越高,辐射的电磁波能量就越高,而电磁波的能量大小具体就表现在它的波长上,所以热辐射是一个连续的光谱,一般的热辐射都是波长较长的红外线和可见光。

由于这种交换电磁波(能量载体)传递能量的方式不需要任何介质,因为光传播不需要介质,所以是真空宇宙中传递热量的方式。其实到这里问题已经解决了,不过下面我再多说一个问题。

宇宙中没有绝对的真空

我们常说真空不空,空间中存在着固有的能量,会在极短的时间内发生量子波动。这是在量子层面的说法。但是在宏观宇宙中的真空也存在着物质,只不过密度非常低,一平方米不到一个原子,如此低的密度,所以不存在热传导和热对流现象。因此太空中的温度非常低。

太阳只能通过热辐射的方式才能给地球传递热量。

而热辐射这种方式是三种热传递方式中效率最低的,所以我们人体假如暴露在了外太空中,我们应该感受不到外太空是冷的,而我们身体内的热量只会通过热辐射的方式缓慢的流失,因此我们并不会死于寒冷、冻结,而是会死于低压导致的肺部破裂。

太阳光如何加热地球大气

太阳通过核心聚变来发光发热,最初的产生的光子是高能量的伽马射线,这样的高能量光子会对任何生物造成严重的电离辐射,但是幸运的是,伽马射线产生后并不能第一时间逃离太阳表面,而是会在核心到达表面的过程中与带电粒子发生随机碰撞,因此由于每个光子发生碰撞的次数以及逃离的路径不同,这些光子在达到太阳表面时就会携带不同的能量,也就是波长各不相同。这就是为什么我们说太阳光谱是一个连续的光谱,在各个波段都有光子,但在可见光波段达到了高峰。

正是太阳光的这种性质,地球上的生物大部分对可见光波段的电磁波最为敏感。在太阳光到达地球以后,地球的大气并不能直接吸收可见光来为自己增加热量,而是可见光被地表吸收以后,地表升温以后发出红外辐射才能加热底层大气,底层大气升温上升又会与高层大气发生对流来交换热量,这就是为什么高山上常年积雪的原因。

这就是太阳从遥远的太空加热地球大气的过程,正是由于电磁辐射和大气的存在才让我们感觉到了舒适的温度。