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太阳6000℃,地球40℃,太阳能把地球晒热,为何太空是绝对零度?

2024-10-27科学

要是没意外的话,今年又会是「史上最热的一年」。现在有消息表明,7月的高温正在席卷整个欧洲呢,到了7月下旬,南欧的热浪会变得更厉害。意大利罗马每天的户外温度都在40℃以上。

太阳离地球1.5亿公里远都能把地球晒热,那它的温度得多高啊?它的温度是咋来的呢?为啥离地球更近的太空差不多是零度呢?

【太阳的温度】

太阳是咱们太阳系的中心星球,它的质量特别大,温度还特别高,这是大家都知道的。它表面的温度大概有6000℃,可这只是太阳温度最低的地方。太阳核心的温度最高,能达到吓人的1500万℃。在这么高的温度下,别说是把人扔进去,就算把地球扔进去,恐怕也一下子就给蒸发没了。这么高的温度是咋来的呢?难道太阳的核心是个大火炉吗?

这说法也没错,太阳的能量是从它内部的核聚变反应来的。核聚变一般跟氢的同位素有关,尤其是氘(氢的重同位素)和氚(氢的超重同位素)。在高温高压的时候,这些氢同位素的原子核就会撞到一起然后融合,变成一个氦原子核,同时释放出超多能量。

在太阳的核心部分,氢原子核会在超高温和高压之下相互碰撞,然后融合成氦原子核。这一过程会释放出超多能量,这就是核聚变能。按照爱因斯坦的质能方程E = mc2,质量和能量是等价的,所以核聚变时那一点点的质量亏损就会转变成超多的能量释放出去。

太阳内部的高温靠引力压缩和核聚变反应来维持。太阳质量巨大,引力会把太阳内部物质压缩到密度和温度都极高的状态。在太阳核心,温度和压力高到一定程度时,氢原子核就能克服库仑斥力发生聚变。这种聚变反应产生的能量,会通过辐射和对流传输到太阳外部。

太阳的温度分布有个特殊结构。从内核往外延伸时,温度是逐渐变高的。太阳的表面叫光球,光球温度大概是6000℃。光球上面就是太阳的大气层,这里面有色球、日冕和日风。在这些大气层里,温度会急剧上升,能达到几百万甚至几千万℃。为啥温度会异常升高呢?这是因为太阳大气层里有像磁场重连、波动加热这样复杂的物理过程。

科学家会用光谱分析、X射线观测还有太阳探测器之类的各种仪器和技术来测太阳的温度。这些观测得到的数据和理论模型是相符的,能给出太阳内部和大气层温度分布的详细情况。分析表明,太阳里的氢元素还能撑50亿年呢,所以人类暂时不用为温度的事操心。

大家都晓得,在太阳系里,岩石星球离太阳越近呢,温度通常就越高。水星是太阳系里离太阳最近的行星,它和太阳的平均距离是0.39天文单位(AU)。因为离太阳特别近,水星表面的温度可高了,白天的时候表面温度能达到大概430℃,到了晚上呢,表面温度又会降到差不多 -180℃。木星和土星是太阳系里离太阳最远的大行星,它们和太阳的平均距离分别是5.2 AU和9.5 AU。就因为离太阳太远了,它们表面的温度特别低,木星表面温度大概是 -145℃,土星表面温度大概是 -178℃。

地球跟太阳之间的距离正好是1AU,所以地球的平均表面温度大概是15℃,像赤道附近这样的一些地方常常会超过30℃。这么看的话,太阳光热既然能散发到别的星球上,为啥它经过的太空却快接近零下273.15℃(绝对零度)呢?

【没有温度的太空】

首先得知道温度是咋定义的。温度呢,就是用来度量物体内部分子或者原子平均动能的。温度高的时候,分子或者原子的平均动能就大;温度低的时候,平均动能就小。太阳表面温度很高,这是核聚变反应释放出巨大能量造成的。这么高的温度让太阳表面成了一个很大的等离子体区域,到处都是高能粒子和电磁辐射。

不过呢,当咱们离太阳远了进入太空之后,情况就不一样了。太空里的环境特别稀薄,基本上没有气体或者其他东西。这就表示在太空里,热量没法靠传导或者对流来传递,只能靠辐射来传播。辐射就是一种以电磁波形式传播能量的东西,它能从温度高的物体往温度低的物体传递能量。

在地球上,咱们常常能感受到太阳辐射的热量。太阳辐射的能量大多以可见光和红外线的形式抵达地球表面,被吸收后就转变成热能了,地球之所以会变暖就是这个缘故。可是在太空里,没有足够的物质去吸收太阳辐射的能量。太空里分子和原子特别稀疏,几乎不存在能与之相互作用的物质。所以,太空里的辐射能量很难被吸收,太空的温度就特别低。

但不是绝对零度,毕竟太空的温度还会被宇宙微波背景辐射影响呢。宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸后剩下的辐射能量,在全宇宙均匀分布。太空的温度除了受宇宙微波背景辐射影响,还受别的因素影响。就像太空里有很微弱的星际介质,这里面有一些气体和尘埃颗粒。虽说这些物质特别稀薄,可它们还是能靠吸收和散射影响太空里辐射能量的传播。这些微弱的相互作用会让太空温度稍微上升一点,不过还是比地球表面温度低得多。

另外,太空里的温度也会被宇宙射线影响。宇宙射线呢,就是宇宙中高能粒子的辐射,像太阳和其他恒星发出的带电粒子,还有宇宙射线源的高能粒子都包含在内。这些宇宙射线在太空里穿过物质的时候就会相互起作用,然后释放能量。这种相互作用会让太空有一点点加热的效果,不过太空很稀薄,所以这影响特别小。综合起来看呢,太空里的温度不高,都快接近零度了。

【温暖地球的形成】

太空环境里没多少物质,地球可不一样,地球上物质可丰富了,分子和原子动得很频繁,这样就能吸收太阳辐射的能量了。但光靠这个还不行,地球气候暖和主要还是大气层起的作用。

地球的大气层里有氮气、氧气、二氧化碳、甲烷之类的气体。这些气体能把太阳的大部分辐射吸收掉,这样一来,地球表面得到的热量就减少了。而且,这些气体还能保住地球表面的热量,让地球表面的温度不会太低,于是就营造出了适合生命存活的环境。

另外,地球的大气层能形成像对流层和平流层这样的大气环流,这样就使得地球内部热量分布得比较均衡。这些环流能把赤道地区的热量传送到极地地区,于是就有了不同的气候带和季节变化。

别的行星和地球不一样,没有大气层保护,所以表面温度变化很大,不适合生命存在。就像水星,没有大气层,白天表面温度能超过430℃,晚上就降到 -170℃以下了。金星的大气层特别厚,表面温度470℃还多,这样它的地表就没法有液态水。火星的大气层薄,表面温度变化范围大,有 -143℃那么低的,也有20℃左右比较高的。所以说,地球有大气层保护,这对生命的存在特别重要。

【结语】

地球和太空温度有差异,说到底是物质密度不一样。温度呢,就是衡量物体内部粒子平均动能的。温度高的时候,粒子平均动能就大;温度低的时候,粒子平均动能就小。所以啊,温度几乎没有上限,可却有个下限叫绝对零度,到了这个温度,粒子就不运动了。

不过呢,地球有适宜的温度可不光是距离的功劳,大气才是调节气候的关键因素。太阳系里的其他星球,要么没有大气,要么大气厚度不合适,这就使得生命很难在上面生存和诞生。我们虽然已经发现了不少类地行星,也就是所谓的「第二地球」,但是在短期内,人类还没办法进行太阳系外的星际旅行呢。所以,我们真正的家其实就只有地球。这也警示我们得珍惜地球这个珍贵的家园,保护环境,一起打造美好的未来。