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太陽和地球之間溫度接近「絕對零度」,那地球上的高溫是哪來的?

2024-03-07科學

前言:

每年的這個時候,夏至已經過了一大截,人們一直盼望的夏天卻來了讓人又愛又恨的「高溫天氣」。小的時候,老師還告訴我們,夏天是因為太陽離地球最近,所以才會這麽熱。那我們離太陽越來越近,會不會就變成了一個火球呢?當然不會了,因為這只是老師的一種打比方的解釋。雖然夏天很熱,但是太陽和地球之間,卻並沒有「傳熱」這樣的操作。

所以太空中都是「絕對零度」,那為什麽在接近絕對零度的太空中,地球上卻能出現那麽高的溫度呢?那麽接下來,我們就一起來揭開這個「高溫之謎」。

一、為什麽太空中溫度接近「絕對零度」?

溫度和熱量是人們非常熟悉的物理量,而「絕對零度」在物理學中指的是零克耳文。而在攝氏度中就是零下273.15度。而在太空中,溫度是非常非常低的,大概只有零下270.4度。這也是因為有微波背景輻射的存在,若沒有這個存在,那宇宙的溫度就應該是零下273.15了。

那為什麽太空中的溫度會這麽低呢?其實微觀角度來看,溫度是由分子的熱運動決定的。也就是說即使是太空中,也應該有溫度。但是太空中的物質非常稀薄。而溫度這個物理量,是用來描述物質內部份子熱運動程度的。那麽在太空中,幾乎沒有什麽物質,自然也就沒有什麽分子的熱運動了。所以在這種情況下,溫度自然也就不「上不著天」的。

再來說說,什麽是溫度?溫度是反映物體冷熱狀態的物理量,它表示的是物體內部微觀分子熱運動的劇烈程度。說的直白一點就是物體內部的分子亂飛的程度。當分子的運動完全停止時,溫度就是絕對零度。既然溫度和分子的熱運動緊密相連,那麽溫度是如何決定的呢?這就要從分子速度的分布情況來說起。在一個封閉的空間中,有很多氣體,且處於完全平衡狀態,這時我們可以得到這樣的一個結論:若A物體的速度是V1,B物體的速度是V2,那麽在這個空間中,V1>V2。

那麽這個結論是如何得出的呢?這要從麥克斯韋-波茲曼分布定律說起,這個定律是用來描述氣體分子速度分布的,它告訴我們,相同溫度下的兩種氣體分子速度的分布情況。具體來說,它告訴我們的是:高速分子的數量一定比低速分子的數量要多。

那麽這和溫度有什麽關系呢?這就涉及到了熱平衡和溫度的概念了。當兩個物體處於熱平衡狀態時,它們的溫度是相等的。所以當高速分子和低速分子兩種氣體達到了熱平衡時,它們的溫度也是相等的。那麽根據麥克斯韋-波茲曼分布定律可得出,在相同溫度下,高速分子的數量一定是大於低速分子的數量的。所以簡單來說,溫度就是一個描述分子熱運動程度的物理量,而在太空中,物質稀少,分子運動微乎其微,自然溫度就很低。

二、地球是如何接收太陽的熱量的呢?

相信很多人都會有這樣一個疑問,地球到底是怎麽接收到太陽的熱量的呢?這個太空那麽大,而且太空中又沒有介質,所以熱量是無法透過傳導和對流的方式傳播的,那麽地球又是如何完成「傳熱」這一操作的呢?

其實很多人都忽略了太陽這一物體本身就會產生熱輻射。地球接收太陽熱量最主要的方式就是透過熱輻射來完成的。所謂熱輻射,就是處於高溫物體的分子不斷自發的排放熱量,並將這些熱量以電磁波的方式傳播出去。而且熱輻射是可以在真空中傳播的,所以即使在廣袤的宇宙空間中,熱輻射也能將太陽的熱量順利送達給地球。太陽產生的熱輻射會以光的形式照射到地球表面,這些光子在穿越大氣層時,會與大氣層中的分子發生相互作用。

但有一點大家要註意,雖然大氣層很厚,但是大氣層中的氣體卻是非常稀薄的。所以大多數光子會直接穿過大氣層到達地表,而只有少部份的光子會與大氣中的分子發生相互作用。而這些與大氣中的分子發生相互作用的光子,會使大氣分子的熱運動變得更加劇烈,也就是說會在大氣層中產生更多的熱量。

隨著時間的推移,這些光子終於到達了地球的表面,而地球的表面反射率會使這些光子產生不同的「命運」。當光子照射到地面時,地面會對這些光子產生不同的反應,具體來說,地面會對光子產生三種不同的反應:反射、散射和吸收。

其中,反射是指光子照射到光滑表面後,全部以相同的角度反射回原處。比如光鏡面,光線照射到鏡面上,會完全反射回來。散射是指光子照射到粗糙不平的表面上,會以不同的角度、不同的路徑向四面八方散射開來,而不是像反射那樣全部回到原處。就好比天空中的雲層,雲層就是一個天然的散光體。

吸收則是光子被物體吸收,被吸收的光子會為物體提供能量。當光子照射到地面時,地面會同時發生反射、散射和吸收這三種情況。但是就目前來說,大氣層和地面都還不能讓人類在太空中生存。所以這些光子在與大氣層和地面發生相互作用之後,最終又以熱輻射的方式重新進入到大氣層中。

當這些光子重新回到大氣層時,會與大氣分子再次發生相互作用,這時就只剩下少部份熱輻射會逃脫大氣層的束縛,進入到太空中去。這些到處都是大自然之間「互動」的過程,最終會使太空中的「絕對零度」與此無關。所以要回答這個問題,就要先知道大自然是如何「互動」的。

三、大自然是如何互動的呢?

大自然中,最常見的自然現象就是「水迴圈」了。它通常包括蒸發、凝結、下降和回流這四個過程。而大氣中的「溫室效應」和地球的「溫度」也和水迴圈這兩個自然現象息息相關。大家都知道,水迴圈是由太陽能驅動的,而溫室效應又是因為大氣層中的水蒸氣對紫外線有很強的吸收作用,這些水蒸氣會放出更多的熱能,使得地表溫度提高。而正是因為這兩者的存在,地球才能變得這麽溫暖。有了大氣層,地球表面不會太過寒冷,而有了溫室效應,地表溫度不會太高,而大自然的這一舉一動,最終將太空的「絕對零度」和地球的「高溫」緊密聯系到了一起。

當太陽光照射到地球上時,其中有一部份會被大氣層反射回去,而另一部份則會被地表吸收。被吸收的太陽光會透過光合作用轉化為植物的生長能量,而植物也會透過呼吸作用將多余的氧氣釋放出來,這就是地球上的「氧氣迴圈」。地球上的「水迴圈」和「氧氣迴圈」都會影響到「地面溫度」,但最終影響地面溫度的還是「熱輻射」。當地面溫度增高時,會不斷釋放熱輻射,這些熱輻射會和從太陽發出的大氣層中的熱輻射一起,重新回到大氣層。

在大氣層中,這些熱輻射又會和水蒸氣、二氧化碳等其它氣體發生相互作用,最終又會以熱輻射的方式離開大氣層,進入到太空中。而這些熱輻射以一種特殊的方式離開地球,會使地球的溫度保持在一個適宜的範圍內。

筆者認為。

隨著科技的發展,人們對太空的探索也越來越深入,而對這個有趣的問題,科學家們也給出了很多解釋。所以我們並不需要擔心太陽溫度太高,會把地球燒得精光,畢竟我們還有一層堅硬的「大衣」保護著我們。所以還是讓我們共同面對即將到來的高溫吧,而對那些想吃雪糕逃避夏季的朋友們,也要提醒大家多註意個人衛生。