太陽的‘熱量’是如何穿越真空到達地球的?


太陽的‘熱量’是如何穿越真空到達地球的?


金星感受到了太陽的熱量——但是到底是怎麼感覺到的呢?圖片來自:NASA、SDO、AIA/Flickr.CC

要理解熱是什麼,首先,你需要知道的是,世間萬物都是由原子構成的,原子很小,小到無法用肉眼直接看到它們(想要看到原子,必須藉助一些專業的設備,比如隧道掃描顯微鏡)——然而就是它們構成了我們宇宙中的所有物質。

如果某些東西是熱的,這就意味著它的原子有很多的能量,並且運動得很快;

如果某些東西是冷的,那就說明它的原子只有很少的能量,並且運動得很慢。


太陽的‘熱量’是如何穿越真空到達地球的?


在太陽中,日冕的溫度可以高達上百萬度,比太陽表面幾千度還要高

太空確實是真空的,這意味著太空中沒有多少介質。然而,太空並不是完全真空的。即使我們忽略掉像恆星、行星和彗星這樣的大物體,太空也不是完全真空的。

事實上,太陽不斷地將物質,即太陽風,吹入我們的太陽系。它就是導致我們看到的美麗的極光產生的部分原因。


太陽的‘熱量’是如何穿越真空到達地球的?


太陽表面的溫度高達上千度

但是太陽風的密度並不大——太陽風中的原子比空氣中的原子要少得多。這意味著它不能攜帶太多的熱量,所以它並不能解釋太陽的熱量是如何到達地球的。

熱量傳遞有三種方式:熱傳導、熱對流與熱輻射。熱量在真空中傳遞究竟遵循的是哪一種方式,我們可以從熱傳遞的三種方式來進行分析:

傳導


傳導,就是科學家們所說的通過接觸來傳遞熱量。如果你摸到熱的東西,它就會把熱量傳遞給你。如果你到摸冷的東西,你就會把熱量傳遞給它。

有些材料,如金屬,是良導體。其他材料,如玻璃,是不良導體,被稱為絕緣體。


太陽的‘熱量’是如何穿越真空到達地球的?


熱也可以經過多次傳導。例如,如果你把一個金屬勺子放入一大杯熱茶中,熱量會從茶傳遞到勺子,然後從勺子傳遞到你的手上。

但是我們沒有接觸到太陽(幸好沒有——它的表面溫度超過了5000攝氏度!),而且太空是真空的,所以沒有任何東西可以像勺子一樣傳導熱量。

所以我們可以排除傳導。


太陽的‘熱量’是如何穿越真空到達地球的?


紅巨星的表面溫度大約在5000度左右

對流

對流,就是流體通過流動來傳遞熱量。液體和氣體都能以對流的方式傳熱,即原子攜帶熱量和能量,從熱的區域轉移到冷的區域。

如果你曾經有過在浴缸裡洗澡的經歷,如果浴缸裡的水開始變冷,然後打開熱水龍頭,你會感覺到熱水從龍頭流向浴缸的另一端。

然後,熱原子會與較冷的原子碰撞,通過傳導來傳遞它們的熱量,直到浴缸裡的水達到均勻的溫度。

但由於太空是真空的,沒有液體或氣體以對流的方式來把熱量從太陽轉移到地球。

所以我們可以排除對流。


太陽的‘熱量’是如何穿越真空到達地球的?


輻射


熱的物體,如太陽,甚至我們自己的身體,都會散發熱量。當物質的原子運動和振動時,它們會釋放出電磁能量,或“輻射”,這被稱為“熱輻射”。

電磁能量有一個範圍,或者說是光譜,有多種類型——其中一些我們可以看見,彩虹就是‘可見光’。還有一些類型是我們雖然看不到,但它們也是存在的,比如我們的身體輻射的紅外線與我們用來做飯的微波能量。


太陽的‘熱量’是如何穿越真空到達地球的?


與傳導和對流不同,輻射不需要介質來傳遞熱量。

能量以光速從太陽輻射出來,穿越真空到達地球之後,其中一部分被我們的大氣所吸收,還有一部分會穿過大氣輻射到地表,這當中的一些甚至還會被你的皮膚吸收。


太陽的‘熱量’是如何穿越真空到達地球的?


地面吸收了來自太陽的輻射之後,就會變熱,繼而釋放熱量,在這個過程中,其中一些熱量會通過‘熱傳導’的方式傳遞出去——比如夏天沙灘上的熱沙會灼傷你的腳,有些熱量還會通過風和洋流的‘熱對流’進行傳遞,有些則以輻射的形式進入大氣層,甚至到達外太空。

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