太陽巨大能量,為啥曬不熱太空,到了地球卻溫暖萬物?


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太陽巨大能量,為啥曬不熱太空,到了地球卻溫暖萬物?

太陽源源不斷發出的巨大能量,經過長途跋涉到達地球,溫暖哺育了億萬生物,而流經的太空卻沒有一絲熱氣,據說零下兩百多攝氏度。這是一個令很多人都疑惑的問題。過去我們也討論過這個問題,今天就從另外的角度,更通俗地說一說。

其實這個道理很簡單,就是能量要通過物質的吸收轉化,才能夠轉變為熱能。沒有物質吸收能量,就沒有熱量。太空幾乎什麼都沒有,就無法留住能量了。

  • 先了解一下什麼是“熱”

我們說的“熱”是指物體的冷熱程度,一般用溫度來表示。何謂物體?就是物質存在的實體。因此熱必須有物質存在,能量與物質的交互作用,能量被吸收,才會產生熱。而所謂“熱”是通過溫度的高低來衡量的,這是人們從宏觀角度對熱和溫度的認識。

從微觀方面來說,物體的冷熱程度是由物體內部分子熱運動的劇烈程度決定的,其表現出來的就是溫度這個物理量。因此,溫度是物體分子運動平均動能的標誌,是大量分子熱運動的集體表現,是具有統計意義的物理量。

溫度對於個別分子是沒有意義的,也就是說即便個別分子熱量再高,也是無法顯示溫度的。人類為了統一認識熱度,長期實踐中確定了衡量熱度高低的溫標,國際上常見的有:熱力學溫標,又稱開爾文,符號表示為“K”;攝氏溫標,也叫攝氏度,符號表示為“℃” ;華氏溫標,也叫華氏度,符號表示為“℉”。

熱力學溫標是國際絕對溫標,是科學研究中用得最多的溫標,其他溫標都是以這個溫標為準的。熱力學溫標1K的間隔與1℃間隔一樣,只是起點比攝氏溫標要低273.15度。宇宙最低溫度為熱力學溫標0 K,也叫絕對零度,對應攝氏溫標為-273.15℃,因此0 ℃就等於273.15 K,100℃就等於373.15 K。以此類推,熱力學溫標減273.15度就是攝氏溫度。

華氏溫標對應熱力學溫標比較複雜,與攝氏溫標的換算為:℃ = 5*(℉-32)/9或°F = (9/5×°C)+32,這樣,0 ℃ = 32 ℉,100 ℃ = 212 ℉。

溫標是人類衡量熱量高低的標準。

  • 太陽光是電磁輻射能量

太陽是太陽系唯一的恆星,恆星是由熾熱的氣體組成,其能量來源於核心部分的核聚變反應。恆星體積和質量都很龐大,比如我們太陽體積為地球的130萬倍,質量為地球的33萬倍。巨大的質量形成的向心引力壓導致太陽核心溫度達到1500萬K,壓力達到3000億個地球海平面大氣壓。

在這樣的高溫高壓下,核心的氫原子外圍電子被驅離了,露出原子核,原子核與原子核就形成了核融合反應,就是所謂的核聚變。經過科學家計算,像太陽這樣質量的恆星,核心核聚變每秒鐘有6億噸的氫轉化為5.958億噸的氦,其中虧損了420萬噸質量,這些質量就轉化成能量。

愛因斯坦創立的質能方程揭示了質量和能量的等價和相互轉化性質,其表達式為:E=MC^2。這裡的E表示能量,單位為J(焦耳);M表示質量,單位為kg(公斤);C為光速,單位m(米)。

根據愛因斯坦質能方程計算,太陽每秒鐘虧損的質量達到420萬噸,全部轉化為能量達到3.78*10^26J。這是個什麼概念?每噸炸藥爆炸能量為4184000000J,每度電能量為3600000J,也就是說太陽每秒鐘釋放的能量相當9億億噸炸藥爆炸能量,或者10500億億度電。

全世界現在擁有核彈總量約100億噸當量,太陽每秒釋放的能量相當全球核彈同時爆炸總能量的900萬倍;全球現在發電總量約30萬億度,太陽每秒釋放能量相當現在全球發電總量的350萬倍,也就是350萬年的發電量總和。

太陽的這些能量是以電磁輻射的方式源源不斷地釋放到太空,我們地球可以接收到其22億分之一,就相當於1000萬座三峽大壩的發電總量,相當每秒鐘有3000個廣島原子彈同時爆炸的威力。

  • 電磁輻射就是“光”

電磁輻射的傳播媒介是光子,因此電磁輻射從某種意義上來說就是光。但這個光是廣義的光,包括可見光和不可見光。我們通常說的光,是人類肉眼可見的光,人類就是通過可見光來看到世間的一切的,沒有這個可見光,人眼就是一抹黑,什麼也看不到。

但現在人類可以通過射電、射線等設備儀器,看到不可見光,如無線電波(包括長波、中波、短波、微波)、紅外線、紫外線、X射線、γ射線等等,由此就對這個世界了解的更透徹更深刻了。

不同的光波長和頻率不一樣,波長越長頻率越低能量也越低;波長越短頻率越高能量越高。可見光波段約在380nm~760nm之間,是複合光,可分為紅橙黃綠青藍紫等,紅光波長最長,能量最低;藍紫光波長最短,能量最高。所以有些賣眼鏡的,就打出防藍光護眼的賣點,就是這個道理。

無線電波、紅外線波長比可見光波長更長頻率更低,因此能量更低;紫外線、X射線、γ射線的波長一個比一個短,頻率一個比一個高,因此能量一個比一個大。所以紫外線以上頻率的不可見光,對人體是有傷害的,越短波長的光傷害越大,這就是照X光不能照久的原因,伽馬射線就更厲害了。

我們知道,光的傳遞是無須介質的,越沒有介質越快,因此光在真空中傳遞最快,每秒鐘約30萬千米。太陽距離地球約1.5億千米,太陽光就是通過接近真空的太空傳遞到地球的,約8分20秒就能到達。

電磁輻射在真空度越高的空間傳遞,損失的能量就越小,太陽光來到地球後,能量損失很小,因此可以給地球帶來溫暖。

  • 在陽光照射下太空依然很冷的原因

相信看了前面的鋪墊,大家應該對太陽經過太空,太空卻依然很冷;而太陽照到地球後,卻能讓地球變熱的原因了吧?對,正是因為太空中沒有物質,因此不會吸收能量,所以熱不起來,溫度也就很低了。太空中的粒子越稀少,溫度就越低。

但這種低不會到絕對零度,這是因為太空中並不是絕對真空,還是有不少粒子存在的。一般來說,宇宙空間平均密度很小,在最真空的地方,每立方米只有1個粒子。這些粒子吸收恆星發出的電磁輻射,就會讓接近真空的太空溫度提升一點點。

在太空中,人們發現溫度最低的地方是布莫讓星雲,只有1.15 K,也就是-272℃;宇宙微波背景輻射約3 K。而在太陽到地球的1.5億千米空間,溫度遠遠沒有到達這樣低,這是因為在這個空間,太陽風吹出的帶電粒子很多,距離太陽越近越多,溫度越高;越遠越稀疏,溫度就越低。

到了地球外太空,就每立方厘米只有約10個粒子左右了,因此溫度低至-250℃以下。這就是太陽光雖然經過太空,太空依然很冷的原因。因為太陽電磁輻射雖然能量很大,但沒有物質或極少物質交換吸收,這些能量沒有被拉住,就只是經過一下了。

但如果有人在那個空間暴露,被陽光照射的一面就會很快被烤熟,而背陰面會被凍得梆硬。這就是陽光輻射必須與物質交換才會產生熱量的原因。

  • 陽光到達地球為啥會發熱呢?

這是因為地球有濃密的大氣分子,太陽發出的電磁輻射能量與大氣層的大氣分子交換,就讓大氣分子活躍起來,大氣密度越大,氣體分子運動就越劇烈,溫度就越高。

地球大氣層理論上沒有嚴格界限,在10萬千米高空,還有大氣分子存在,但已經很稀薄了。科學研究一般把大氣層的厚度定為1000千米,大氣越接近海平面,密度越大。在1個標準大氣壓溫度為0 ℃時,海平面大氣密度約1.29kg/m^3,換算成大氣分子約2.6875*10^19個/cm^3,也就是每立方厘米約2700億億個大氣分子。

這麼多的大氣分子,在光輻射的激發下,劇烈震動,接觸到皮膚當然就會感到溫暖了。如果陽光直接照射到人的皮膚或物質上,人的皮膚和物質密度比大氣大多了,因此熱量溫度就更高。這就是人們冬天喜歡曬太陽,夏天喜歡躲在樹蔭下的緣故。

在大氣層上層的熱層,約海拔300~500千米處,太陽能量會將那裡的大氣分子激發到約2000℃高溫,但由於那裡的空氣非常稀薄,密度只有海平面的1000億甚至幾千億分之一,因此是感受不到熱度的,體感溫度只有-100~200℃,因此,如果那裡有人只會被凍得梆硬。

但宇宙飛船或者宇航員在那個高度,被陽光直接照射,表面溫度很快就會達到近200℃。這是因為陽光能量與密實的物體接觸而發生的能量交換。在海拔越高空氣越稀薄的地方,人或物體受到的輻射就越大,這也是人們爬珠峰,到達頂峰,雖然很冷,但陽光能量更強烈,更會灼傷皮膚的原因。

  • 地球大氣層對生物的保護

我們賴以生存的地球,正是有了一層濃密的大氣,才保護了生命,既能得到太陽的溫暖和能量,又能夠防護隔離掉太陽輻射的危害。

當太陽能量輻射到達地球時,裡麵包含著高能輻射的紫外線和X射線,還有一些高能帶電粒子轟擊過來,這些高能射線經過地球大氣層,尤其是臭氧層的過濾,就幾乎都被吸收和反射掉了,只有可見光為主的較低能輻射來到地球,讓地球萬物沐浴在太陽光下茁壯成長。

如果沒有太陽光,地球所有的植物都無法進行光合作用,無法合成養分供自己生長並向外釋放氧氣,很快就會枯萎死亡;動物們缺少陽光,就無法合成很多身體需要的元素,又沒有了植物性食物和依靠植物生存的草食動物肉類食物,也沒有了依靠草食動物肉類生存的肉食動物肉類食物,除了滅絕沒有第二條路。

但如果沒有大氣層保護,生命同樣無法存續。月球雖然並非完全真空,那裡的大氣分子每立方厘米也有約80000個,比宇宙空間密度大多了,但比地球上人工製造的一般高真空度還要高很多,只有地球大氣密度的300多萬億分之一,因此月球是一個高度真空世界。

太陽照射到月球,那點大氣分子幾乎沒有阻擋作用,被太陽照射到的地方,溫度會驟升到130℃,背陰處溫度會驟降到-180℃,是個冷熱兩重天的世界,而且還隨時受到宇宙高能能射線的轟擊,由此,那裡是個不毛之地,連一個細菌也無法成活。

我們地球家園,陽光哺育著萬物,大氣又隔絕了陽光過強能量的傷害,是宇宙中非常稀有的生命樂園。作為統治這個樂園的人類,一定要好好保護這個美好的環境,才能夠享受得更長久。

就是這樣,歡迎討論,感謝閱讀。

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