要是沒意外的話,今年又會是「史上最熱的一年」。現在有訊息表明,7月的高溫正在席卷整個歐洲呢,到了7月下旬,南歐的熱浪會變得更厲害。義大利羅馬每天的戶外溫度都在40℃以上。
太陽離地球1.5億公裏遠都能把地球曬熱,那它的溫度得多高啊?它的溫度是咋來的呢?為啥離地球更近的太空差不多是零度呢?
【太陽的溫度】
太陽是咱們太陽系的中心星球,它的品質特別大,溫度還特別高,這是大家都知道的。它表面的溫度大概有6000℃,可這只是太陽溫度最低的地方。太陽核心的溫度最高,能達到嚇人的1500萬℃。在這麽高的溫度下,別說是把人扔進去,就算把地球扔進去,恐怕也一下子就給蒸發沒了。這麽高的溫度是咋來的呢?難道太陽的核心是個大火爐嗎?
這說法也沒錯,太陽的能量是從它內部的核融合反應來的。核融合一般跟氫的同位素有關,尤其是氘(氫的重同位素)和氚(氫的超重同位素)。在高溫高壓的時候,這些氫同位素的原子核就會撞到一起然後融合,變成一個氦原子核,同時釋放出超多能量。
在太陽的核心部份,氫原子核會在超高溫和高壓之下相互碰撞,然後融合成氦原子核。這一過程會釋放出超多能量,這就是核融合能。按照愛因史坦的質能方程式E = mc2,品質和能量是等價的,所以核融合時那一點點的品質虧損就會轉變成超多的能量釋放出去。
太陽內部的高溫靠重力壓縮和核融合反應來維持。太陽品質巨大,重力會把太陽內部物質壓縮到密度和溫度都極高的狀態。在太陽核心,溫度和壓力高到一定程度時,氫原子核就能克服庫侖斥力發生融合。這種融合反應產生的能量,會透過放射線和對流傳輸到太陽外部。
太陽的溫度分布有個特殊結構。從內核往外延伸時,溫度是逐漸變高的。太陽的表面叫光球,光球溫度大概是6000℃。光球上面就是太陽的大氣層,這裏面有色球、日冕和日風。在這些大氣層裏,溫度會急劇上升,能達到幾百萬甚至幾千萬℃。為啥溫度會異常升高呢?這是因為太陽大氣層裏有像磁場重連、波動加熱這樣復雜的物理過程。
科學家會用光譜分析、X射線觀測還有太陽探測器之類的各種儀器和技術來測太陽的溫度。這些觀測得到的數據和理論模型是相符的,能給出太陽內部和大氣層溫度分布的詳細情況。分析表明,太陽裏的氫元素還能撐50億年呢,所以人類暫時不用為溫度的事操心。
大家都曉得,在太陽系裏,巖石星球離太陽越近呢,溫度通常就越高。水星是太陽系裏離太陽最近的行星,它和太陽的平均距離是0.39天文單位(AU)。因為離太陽特別近,水星表面的溫度可高了,白天的時候表面溫度能達到大概430℃,到了晚上呢,表面溫度又會降到差不多 -180℃。木星和土星是太陽系裏離太陽最遠的大行星,它們和太陽的平均距離分別是5.2 AU和9.5 AU。就因為離太陽太遠了,它們表面的溫度特別低,木星表面溫度大概是 -145℃,土星表面溫度大概是 -178℃。
地球跟太陽之間的距離正好是1AU,所以地球的平均表面溫度大概是15℃,像赤道附近這樣的一些地方常常會超過30℃。這麽看的話,太陽光熱既然能散發到別的星球上,為啥它經過的太空卻快接近零下273.15℃(絕對零度)呢?
【沒有溫度的太空】
首先得知道溫度是咋定義的。溫度呢,就是用來度量物體內部份子或者原子平均動能的。溫度高的時候,分子或者原子的平均動能就大;溫度低的時候,平均動能就小。太陽表面溫度很高,這是核融合反應釋放出巨大能量造成的。這麽高的溫度讓太陽表面成了一個很大的電漿區域,到處都是高能粒子和電磁放射線。
不過呢,當咱們離太陽遠了進入太空之後,情況就不一樣了。太空裏的環境特別稀薄,基本上沒有瓦斯或者其他東西。這就表示在太空裏,熱量沒法靠傳導或者對流來傳遞,只能靠放射線來傳播。放射線就是一種以電磁波形式傳播能量的東西,它能從溫度高的物體往溫度低的物體傳遞能量。
在地球上,咱們常常能感受到太陽放射線的熱量。太陽放射線的能量大多以可見光和紅外線的形式抵達地球表面,被吸收後就轉變成熱能了,地球之所以會變暖就是這個緣故。可是在太空裏,沒有足夠的物質去吸收太陽放射線的能量。太空裏分子和原子特別稀疏,幾乎不存在能與之交互作用的物質。所以,太空裏的放射線能量很難被吸收,太空的溫度就特別低。
但不是絕對零度,畢竟太空的溫度還會被宇宙微波背景放射線影響呢。宇宙微波背景放射線是宇宙大霹靂後剩下的放射線能量,在全宇宙均勻分布。太空的溫度除了受宇宙微波背景放射線影響,還受別的因素影響。就像太空裏有很微弱的星際介質,這裏面有一些瓦斯和塵埃顆粒。雖說這些物質特別稀薄,可它們還是能靠吸收和散射影響太空裏放射線能量的傳播。這些微弱的交互作用會讓太空溫度稍微上升一點,不過還是比地球表面溫度低得多。
另外,太空裏的溫度也會被宇宙射線影響。宇宙射線呢,就是宇宙中高能粒子的放射線,像太陽和其他恒星發出的帶電粒子,還有宇宙射線源的高能粒子都包含在內。這些宇宙射線在太空裏穿過物質的時候就會相互起作用,然後釋放能量。這種交互作用會讓太空有一點點加熱的效果,不過太空很稀薄,所以這影響特別小。綜合起來看呢,太空裏的溫度不高,都快接近零度了。
【溫暖地球的形成】
太空環境裏沒多少物質,地球可不一樣,地球上物質可豐富了,分子和原子動得很頻繁,這樣就能吸收太陽放射線的能量了。但光靠這個還不行,地球氣候暖和主要還是大氣層起的作用。
地球的大氣層裏有氮氣、氧氣、二氧化碳、甲烷之類的瓦斯。這些瓦斯能把太陽的大部份放射線吸收掉,這樣一來,地球表面得到的熱量就減少了。而且,這些瓦斯還能保住地球表面的熱量,讓地球表面的溫度不會太低,於是就營造出了適合生命存活的環境。
另外,地球的大氣層能形成像對流層和平流層這樣的大氣環流,這樣就使得地球內部熱量分布得比較均衡。這些環流能把赤道地區的熱量傳送到極地地區,於是就有了不同的氣候帶和季節變化。
別的行星和地球不一樣,沒有大氣層保護,所以表面溫度變化很大,不適合生命存在。就像水星,沒有大氣層,白天表面溫度能超過430℃,晚上就降到 -170℃以下了。金星的大氣層特別厚,表面溫度470℃還多,這樣它的地表就沒法有液態水。火星的大氣層薄,表面溫度變化範圍大,有 -143℃那麽低的,也有20℃左右比較高的。所以說,地球有大氣層保護,這對生命的存在特別重要。
【結語】
地球和太空溫度有差異,說到底是物質密度不一樣。溫度呢,就是衡量物體內部粒子平均動能的。溫度高的時候,粒子平均動能就大;溫度低的時候,粒子平均動能就小。所以啊,溫度幾乎沒有上限,可卻有個下限叫絕對零度,到了這個溫度,粒子就不運動了。
不過呢,地球有適宜的溫度可不光是距離的功勞,大氣才是調節氣候的關鍵因素。太陽系裏的其他星球,要麽沒有大氣,要麽大氣厚度不合適,這就使得生命很難在上面生存和誕生。我們雖然已經發現了不少類地行星,也就是所謂的「第二地球」,但是在短期內,人類還沒辦法進行太陽系外的星際旅行呢。所以,我們真正的家其實就只有地球。這也警示我們得珍惜地球這個珍貴的家園,保護弓境,一起打造美好的未來。