太阳和地球之间的宇宙那么冷,热量是怎么传到地球的?

小儿女


上海科技报科普问答主持人:主任记者 吴苡婷

太阳的热量并不是通过我们普通人想象的热传导的模式来到地球的,而是通过电磁波辐射的模式传递的,所以可以不通过介质传导,可以轻易地通过真空传递热量。

我们先来科普一下什么是热量,热量并不仅仅是我们所感觉到的炎热。它是一种能量形式,当我们感觉到物体表面很热的时候,是因为它内部的粒子在发生着剧烈的热运动,他们彼此不断地撞击和反弹。这些运动发生的越快,物体表面就越热。

自然界,热量传递的模式有三种,热传导、热对流和热辐射。

热传导需要物体与物体之间的接触,从本质上看,热传导是由物质中大量的分子热运动互相撞击,而使能量从物体的高温部分传至低温部分,或由高温物体传给低温物体的过程。我们使用热水袋、电热毯就是这样的原理。

热对流在我们的气候中,出现得比较多,是指热量通过流动介质,由空间的一处传播到另一处的现象,在气象学上,温差导致了大气对流,造成很多不同的天气状况的发生。在海洋洋流中,热对流也是造成大洋环流的原因之一。

热辐射是远距离传热的主要方式,不需要任何介质在其中发挥作用。我们的太阳是一个不断进行核聚变的巨大能量聚集地,它向四周不停息地发射着各种波长的电磁波,这些电磁波包括X射线、γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线等,波长范围覆盖了从X射线到无线电波的整个电磁波谱。其中很多对人体有害的电磁波被地球大气层挡住了。


科坛春秋精选



热量是太阳释放出的一种能量形式,通过辐射进行传播,这就是为什么地球能感受到太阳的热量。


什么是热量?

这个问题似乎不言自明,但是如果真的深入挖掘,“热量”的概念远非“温度计测量的东西”。在日常生活中,当感觉温度很高时,我们就会说某物发出“热量”,或者我们也会说空气被全球变暖等效应“加热”。

然而,“热量”的最基本定义是什么呢?

热量是一种能量形式,它是来自构成物体粒子的热运动。粒子做永不停歇的无规则运动,彼此互相撞击和反弹。这些粒子运动和撞击的越快,那物体也越热。

当使用热源加热物体时,实际上就是提高粒子的平均动能,从而提高其整体温度。


热传递

热量的传递有三种方式:热传导、热对流和热辐射。

当两个物体彼此接触时,就会发生热量交换,这就是热传导。这是最重要和最常见的热传递方式,其本质是两个物体中粒子之间的能量转移。

另一方面,热对流使指通过流体(例如空气、水等),热量从一个地方传递到另一个地方。

由于很多热传递过程都是以热传导和热对流的形式,因此很容易误认为这些是传递热仅有的两种方式。

通过辐射的热传递


第三种传热方式,也是使地球能获得太阳热量的方式,那就是热辐射。在太空中,虽然几乎没有任何粒子(使其成为近乎完美的真空),但是存在辐射,当与物体碰撞时,辐射被转换成热量。

辐射不仅加热地球上的物体,而且还包括那些不在地球上的物体,例如国际空间站、月球和太阳系的各种天体。

太阳通过核聚变反应源源不断地释放出大量的能量,然后通过电磁波在太空中传递。太阳释放出的辐射跨越整个电磁波谱,其中包括红外线、紫外线和X射线。


当然,太阳还发射出位于可见光谱范围内的电磁波,这也正是为何我们可以看到太阳!

由于电磁波的传播不需要介质,这意味着它们可以穿过真空。因此,我们能看到太阳,也能感受到太阳的热量。太阳辐射由无质量的能量包——光子——组成。光子自由地穿行在宇宙空间,而当它们撞到物体时,物体就会吸收光子。光子的能量传递给物体,物体的能量增加,然后就被加热。

除此之外,地球的大气层可束缚住50%的太阳热量,防止其逃逸到太空,使地球保持温暖。

所以,关于热量怎么可能会在真空中传递的这个问题很好回答:不是“热量”在真空中传播,而是不需要介质就能传播的电磁辐射!


时空通讯


太空和我们身边环境之间的区别

这个问题的关键是,热量究竟是什么东西,弄清楚这个问题,再谈热传递的三种方式。也就是说,我们得弄清楚太空和我们身边环境之间的区别,才能知道为什么说“宇宙那么冷”。

我们经常说“太阳带给我们光和热”,其实严格来说,这二者是一回事儿,因为热就蕴含在阳光里,光本身就是能量,而且是纯之又纯能量形式(当然,爱因斯坦质能方程已经统一了能量和质量这两个概念)。

阳光即能量,阳光包含太多的成分,不仅仅是可见光,还有很多不可见的成分。比如热效应最明显的其实红外线,我们坐在火炉旁边感到热烘烘的,主要就是红外线从炉子辐射到了我们身上。而且红外线就是天文学家赫歇尔在测量阳光热效应的时候发现的。好了,我们现在知道了光,是一种电磁波,或者我们更广义地把电磁波都叫做“光”,你可以叫红外光、紫外光、X光、伽马光,都行。

电磁波跟我们日常生活中所见到的其他波动形式不同。比如声音,也就是声波,传递起来必须有介质,比如空气。抽走了空气,你就听不到声音了。比如宇宙中有很多爆炸,但宇宙空间大多数是真空,我们夜晚看星空觉得寂静无比,这就是那些声波穿不过来。

可电磁波,奇怪,它传播起来不需要介质,在真空里就能传播,因为它本身就是一个能量包,既是粒子,也是波动。所以阳光可以从太阳经历我们之间的真空来到地球,“带给我们光和热”。

真空环境本身呢?因为它是真空,留不住人才……留不住能量。所以从衡量温度的方法来说,它是极低温的,接近绝对零度。你测量温度的时候,必须是遮挡住阳光的。所以对于航天器来说,向阳面,能够接受到阳光的能量被烤热;反之,不朝向太阳的方向上,就是低温。所以航天器就得时常翻一翻身体,保证受热相对差别不太大。

所以,这个问题涉及到了热、光、测量温度本身。尤其是对于光的本质的理解,是19、20世纪重大的科学进步。在我们身边的这些问题,都很有趣,也能带我们去深入理解科学。


松鼠老孙


太阳和地球之间的宇宙就是行星际空间了,非常冷,温度接近于绝对零度,这里的温度与宇宙的温度基本接近、有知道光在真空环境中没有热效应,当太阳光照射地球,光的辐射能被地球上的物质吸收,从而发生热效应。这就是太阳光照的由来,由于物体吸收的辐射能不同,产生的温度也不同,这样热量就成功传导了被照射的物体上。太阳产生的热量来自氢核聚变,热辐射可通过电磁波向外传递能量,由于地球与太阳之间巨大的距离,那么这是一种热辐射效果,由于光与热是同一种东西,也就是光的热效应。

太阳表面温度可达到5000摄氏度,内部温度为1500万摄氏度,如此高温的环境是太阳源源不断释放出热量的原因。在地球表面和轨道上接受到的光照有些不同,经过大气层的遮挡和屏蔽之后,热效应的效率会降低。但是在轨道上,热效应就非常明显了,同一个物体的正面和背面的温差就很大 ,正面可达到上百摄氏度,背面就是零下,这就需要材料的抗温差范围较大,传统的材料已经无法满足需求。这与月球表面是一个道理,在没有光照的情况下,温度直降到零下,有光照的地方就是高温。当然,如果探测器直接飞入太阳,那么不用多久就已经气化掉,不用说距离恒星太近,就是足够远的位置,也会因为光的热效应导致无法继续生存下去。


川陀太空


太阳和地球之间的宇宙那么冷,并不能影响太阳通过光辐射和粒子辐射将热量传到地球!

首先,太阳之所以可以给地球提供持续不断的能量,就是由于太阳光辐射。这种辐射连续存在、周期性、永远延续。因而使地球总能获得能量,从而可以生机勃勃。至于题主所说的太阳和地球之间比较冷的问题,这不是问题。就像冬天的时候,你在中午也可以感受太阳的温暖。传播介质的温度只会影响传播效率,但是只要热源够强,还是可以将热量送达!

其次,太阳还可以通过粒子辐射,不定期给地球送能量奖金。

相比光辐射像工资一样,永远延续,粒子辐射则像奖金,它只能是偶然发生、持续时间也长短不一。但是由于单次能量较强,也对地球的温度会产生较大影响。

总之,太阳通过持续的光辐射和偶然的粒子辐射,给地球以能量,传播路径的冷并不能影响这一过程!


地震博士


眼前的冷不是冷,你说的热是什么热?

要想回答这个问题倒也不难

热量传递有三种方式:热传导、热对流、热辐射(小学自然知识,即使忘了看字面应该也能猜出来咋回事)

其中前两项都需要介质,而宇宙可以认为是真空的,所以指望前两种方式是靠不住了,因此传递方式只能是热辐射。

但是这个问题牵扯到了很多热力学概念,要想弄明白,还必须把这些概念好好捋一捋:

既然说到冷热,首先来明确下温度的概念:我们平时所说的温度是是衡量分子热运动剧烈程度的物理量。

按照这么来说宇宙的温度是没法测量的,因为没有物质也就谈不上动能。

但是呢,任何物体只要温度高于绝对零度就会将自身的能量以辐射的方式散发出去,并且温度越高,波长越短,根据这个原理也可以定义温度。

于是人们通过测量宇宙背景辐射的方式来得到宇宙的背景温度约为2.73°K(-270.42°C),可以说是相当冷了。

根据这个道理,即便是太阳到地球的空间里充斥着大量的辐射,也都只能算在太阳的头上,宇宙还是可怜的2.73°K。

温度与热量显然是两个概念,都说冰淇淋热量高,但它温度又是低的。

热量或者说能量是衡量做功能力大小的物理量。上面已经说明了太阳的能量是以辐射的形式传递给地球的,辐射能转化为地球上粒子的动能,从而使得地球的温度升高。当然地球在拥有了能量之后也会不停地散发辐射,过程如下:

辐射=>内能=>辐射

而地球能保持一个相对稳定的温度很大程度上是靠大气的逆辐射,本来要飘散到宇宙空间的能量被大气层生生挡了回来。如果没有大气逆辐射,地球上最热的地方应该是珠穆朗玛峰,但实际上那里是一片冰雪世界。

没有大气层的月球的向阳面可以达到123°C,而背阴面会降到-233°C。

感谢大气层救命之恩!

以上。


包大人玩科学


热量传递有三种方式——辐射、传导和对流。在自然界中,这三种方式常常混在一起,这样就造成一些误解,所以下面我们把它们分开来讲讲。

辐射是说光子或者其他粒子打到被辐射的物体上,引起物体温度的升高。典型的例子就是炎炎夏日,如果站在烈日下,会被晒的很惨,这里面的晒就是来自太阳的阳光辐射的效果。阳光不仅会晒伤皮肤,还会把柏油路面晒化,把井盖晒得可以煎鸡蛋。但是我们常说的气温以及感受到的闷热的空气,却不是太阳辐射导致的。不信的话,你可以站到树荫下,或者打一把100%遮光的大伞,看看是不是还能感受到气温的热度?

这种气温的升高主要就是传导和对流的效果了,和辐射这种可以跨越亿万光年的方式不同,传导和对流这两种加热方式受到空间的限制,主要对热源附近的区域内比较有效,而且需要介质的帮助。比如靠近地表的空气更容易被加热,海拔每升高100米,气温平均会下降0.6度,这样一来夏天去山上或者高原避暑就成为了很多人的选择;而到了民航客机飞行的万米高空,机舱外的气温常常是零下几十度,寒冷程度堪比南极了。

回到题主的问题,太阳和地球的距离很远,两者中间的行星际空间很空旷,是什么给了地球温暖?答案就是太阳光(电磁辐射)。

宇宙浩瀚无垠,个人水平有限。如有疏漏,请多指教。


乔小海


题主的题设就值得商榷——太阳和地球间的宇宙空间很冷吗?

我们知道,热的东西和冷的东西放在一起,整体上,会有热量从热的部分「流到」冷的部分。反过来,判断一个东西是不是很冷,也要与一个参照物做比较才能得出结论。

在生活中,我们可以说,「今天的气温是三十摄氏度」,这指的是当地空气的温度。也就是气体的温度,我们的体温比三十度高,所以我们会相空气散发热量。而地球与太阳之间的空间,却不是全然的真空——其中充满了高温的「光子气」,光子气的温度可以由统计力学严格定义,但这里可以用一个不太严格的方式,大致展示一下光子气的温度。

我们假设在地-日之间的某一处,放置了一个小球,并可以测量这个球的温度。那么,这个球温度稳定的时候,周边光子气的温度就大致如此(因为物体的形状会影响平衡时的温度)。而一个最为明显的「球」,就是地球。我们可以将地球维持当前温度的事实,看作是地球与周边光子气的一种热平衡。也就是说,地球的温度可以看作是和光子气源源不断地进行热交换而维持的。

从另一个角度来看,「热」是如何从太阳传到地球来的呢?首先,我们需要知道,所谓「热」,就是能量。光子携带能量,与其他粒子相互作用,比如被电子吸收,等等,光子本身就消失了,而能量则传递到了这个粒子上。而从宏观来看,这些粒子的动能增加,就是所谓「变热」。


章彦博


简单粗暴的回答下,热传递的三种方式:热传导,热对流,热辐射。宇宙空间近似于真空,只能通过热辐射来传递热能。



不懂的话再往下看。

热从温度高的物体传到温度低的物体,或者从物体的高温部分传到低温部分,这种现象叫做热传递.
热传递是自然界普遍存在的一种自然现象.只要物体之间或同一物体的不同部分之间存在温度差,就会有热传递现象发生,并且将一直继续到温度相同的时候为止。


发生热传递的唯一条件是存在温度差,与物体的状态,物体间是否接触都无关.热传递的结果是温差消失,即发生热传递的物体间或物体的不同部分达到相同的温度。


在热传递过程中,物质并未发生迁移,只是高温物体放出热量,温度降低,内能减少(确切地说是物体里的分子做无规则运动的平均动能减小),低温物体吸收热量,温度升高,内能增加.因此,热传递的实质就是内能从高温物体向低温物体转移的过程,这是能量转移的一种方式。


热传递有三种方式:传导、对流和辐射。


传导热从物体温度较高的部分沿着物体传到温度较低的部分,叫做传导。


热传导是固体中热传递的主要方式.在气体或液体中,热传导过程往往和对流同时发生.各种物质都能够传导热,但是不同物质的传热本领不同.善于传热的物质叫做热的良导体,不善于传热的物质叫做热的不良导体.各种金属都是热的良导体,其中最善于传热的是银,其次是铜和铝.瓷、纸、木头、玻璃、皮革都是热的不良导体.最不善于传热的是羊毛、羽毛、毛皮、棉花、石棉、软木和其他松软的物质.液体中,除了水银以外,都不善于传热,气体比液体更不善于传热。


对流靠液体或气体的流动来传热的方式叫做对流.
对流是液体和气体中热传递的主要方式,气体的对流现象比液体更明显。


利用对流加热或降温时,必须同时满足两个条件:一是物质可以流动,二是加热方式必须能促使物质流动。


辐射热由物体沿直线向外射出,叫做辐射。

用辐射方式传递热,不需要任何介质,因此,辐射可以在真空中进行。


地球上得到太阳的热,就是太阳通过辐射的方式传来的。


一般情况下,热传递的三种方式往往是同时进行的.


例释一 根据热传递三种方式的特点,分析有关热传递问题:


题1 下列事例中,热传递的主要方式是哪种?
(1)炉子上烧水使整壶水都变热.
(2)夏天喝饮料,把冰块放入饮料中降温.
(3)冬天在炉子旁取暖.
(4)把金属勺放在热汤中,勺把会烫手.


题(1)中炉子烧水使整壶水都变热,主要是对流方式起作用.
题(2)中冰块放入饮料中,饮料通过传导的方式把热传给冰,冰吸热
熔化,接着整杯饮料通过对流达到相同温度.

题(3)中在炉子旁取暖,主要是辐射传热.
题(4)中金属是热的良导体,汤将热传给勺后,通过传导的方式使勺把变热。


题2 冬天落在田里的雪,能保护越冬作物不致冻坏,这是由于雪和雪下方不流动的空气都是热的,防止了,覆盖着的雪使它上下方的空气不能发生,同时银白色的雪又能防止热的.雪和空气都是热的不良导体,它们可以防止热传导;雪又阻止其下方的空气和上方的空气间发生对流;银白色的雪又能防止土壤中热向外辐射。


例释二 根据热传递的特点,防止或利用热传递。


题3 冬天为保暖穿棉衣、羽绒衣.夏天为防止冰棒熔化,用棉被把冰棒裹起来.试分析其中的道理。


棉花、羽绒都是热的不良导体,棉花及羽绒中间的空隙里有不流动的空气,空气也是热的不良导体.冬天,穿上棉衣可以防止身上的热通过传导的方式散发出去,同时也防止了热的对流.夏天,用棉被包裹棒冰,是防止空气中的热通过传导和对流传给冰棒,避免冰棒的熔化。


例释三 根据热传递的特点,设计合适的利用热传递的方法.


题4 房间里的暖气片应装置在房间的上部还是下部,为什么?


暖气片应装置在房间里的下部.装置暖气片的目的是为了使整个房间里的空气都热起来,要使空气热,必须通过对流的方式才能达到目的.为形成空气对流的条件,必须使暖气片从房间的下部加热空气,空气变热后密度变小,这样热空气上升,冷空气下沉,形成对流,使整个房间里都热起来.


行路难真难


本题,涉及空间的概念,还是很有难度的。其实在问:太阳辐射的电磁波,是否有被深太空的暗物质所吸收?

我认为,电磁辐射的光子,在深太空旅行的历史长河中(远超137亿年),会与空间暗物质作用,不断耗散、不断降频,最终沦落为,极低温的暗物质量子,引力红移(本该叫光子红移)与微波背景(2.725K)就是证据。

太阳辐射,主要是电磁辐射,由于日地间的行程仅1.5亿公里,仅约8分钟,就到地球了,红移很弱。再者,太阳系的深太空太大,即便所有的阳光被吸收,微弱升温,怕也难以觉察。所以,太阳能在相应辐射面,几乎全部到达地球大气上界。相比之下,天狼星也是太阳,离我们太远了,耗散太多,到达地球的光能就少而弱了。

学子们,应该满脑子数据,否则学问走不远:Data bring you far。以下的最好记住。世界气象组织(WMO)1981年公布的太阳常数值是1368瓦/米2。地球大气上界的太阳辐射光谱的99%以上在波长 0.15~4.0微米之间。大约50%的太阳能在可见光谱区(波长0.4~0.76微米),7%在紫外光谱区(波长<0.4微米),43%在红外光谱区(波长>0.76微米),最大能量在波长 0.475微米处。由于太阳辐射波长较地面和大气辐射波长(3~120微米)小得多,所以通常又称太阳辐射为短波辐射,称地面和大气辐射为长波辐射。太阳活动和日地距离的变化等会引起地球大气上界太阳辐射能量的变化。太阳辐射通过大气,一部分到达地面,称为直接太阳辐射;另一部分为大气的分子、大气中的微尘、水汽等吸收、散射和反射。被散射的太阳辐射一部分返回宇宙空间,另一部分到达地面,到达地面的这部分称为散射太阳辐射。到达地面的散射太阳辐射和直接太阳辐射之和称为总辐射。太阳辐射通过大气后,其强度和光谱能量分布都发生变化。到达地面的太阳辐射能量比大气上界小得多,在太阳光谱上能量分布在紫外光谱区几乎绝迹,在可见光谱区减少至40%,而在红外光谱区增至60%。


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