03.03 太陽和地球之間的宇宙那麼冷,熱量是怎麼傳到地球的?

你的老師父


本題,涉及空間的概念,還是很有難度的。其實在問:太陽輻射的電磁波,是否有被深太空的暗物質所吸收?

我認為,電磁輻射的光子,在深太空旅行的歷史長河中(遠超137億年),會與空間暗物質作用,不斷耗散、不斷降頻,最終淪落為,極低溫的暗物質量子,引力紅移(本該叫光子紅移)與微波背景(2.725K)就是證據。

太陽輻射,主要是電磁輻射,由於日地間的行程僅1.5億公里,僅約8分鐘,就到地球了,紅移很弱。再者,太陽系的深太空太大,即便所有的陽光被吸收,微弱升溫,怕也難以覺察。所以,太陽能在相應輻射面,幾乎全部到達地球大氣上界。相比之下,天狼星也是太陽,離我們太遠了,耗散太多,到達地球的光能就少而弱了。

學子們,應該滿腦子數據,否則學問走不遠:Data bring you far。以下的最好記住。世界氣象組織(WMO)1981年公佈的太陽常數值是1368瓦/米2。地球大氣上界的太陽輻射光譜的99%以上在波長 0.15~4.0微米之間。大約50%的太陽能在可見光譜區(波長0.4~0.76微米),7%在紫外光譜區(波長<0.4微米),43%在紅外光譜區(波長>0.76微米),最大能量在波長 0.475微米處。由於太陽輻射波長較地面和大氣輻射波長(3~120微米)小得多,所以通常又稱太陽輻射為短波輻射,稱地面和大氣輻射為長波輻射。太陽活動和日地距離的變化等會引起地球大氣上界太陽輻射能量的變化。太陽輻射通過大氣,一部分到達地面,稱為直接太陽輻射;另一部分為大氣的分子、大氣中的微塵、水汽等吸收、散射和反射。被散射的太陽輻射一部分返回宇宙空間,另一部分到達地面,到達地面的這部分稱為散射太陽輻射。到達地面的散射太陽輻射和直接太陽輻射之和稱為總輻射。太陽輻射通過大氣後,其強度和光譜能量分佈都發生變化。到達地面的太陽輻射能量比大氣上界小得多,在太陽光譜上能量分佈在紫外光譜區幾乎絕跡,在可見光譜區減少至40%,而在紅外光譜區增至60%。


物理新視野


我覺得題主的問題很好啊,不請自答!這個問題涉及到很多知識點,敲黑板了哈哈

首先我們要了解熱量傳遞的三種方式:

1、導熱

當物體各部分之間不發生相對位移或不同的物體直接接觸時,依靠物質的分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產生的熱量傳遞稱為導熱(熱傳導),所以理論上講導熱可以在固體、液體、氣體中進行。

顯然,太陽和地球不是以這種方式傳遞熱量的,繼續:

2、熱對流

熱對流又稱對流傳熱,指流體中質點發生相對位移而引起的熱量傳遞過程。

這個一般人關注的比較少,但是在生活當中卻很常見!由於氣體對流比液體對流明顯,所以熱對流是影響火災發展的重要因素!

但也不是題主要找的正確答案。

3、熱輻射

熱輻射的概念是物體由於具有溫度而輻射電磁波的現象。怎麼理解呢,一切溫度高於絕對零度(-273.15°)的物體都能產生熱輻射,溫度愈高,輻射出的總能量就愈大,短波成分也愈多。熱輻射的光譜是連續譜,波長覆蓋範圍理論上可從0直至∞,一般的熱輻射主要靠波長較長的可見光和紅外線傳播。太陽由於溫度很高,所以它的一生就是向外發射熱輻射的過程,就像是一個動感超人,一直在發射動感光波,只不過由於距離我們太遠了,“動感光波”打到我們身上並不能讓我們爆炸或者blabla,但足夠讓我們感受溫度!由於電磁波的傳播無需任何介質,所以熱輻射是在真空中唯一的傳熱方式。

我們貌似找到答案了呢,太陽通過熱輻射向地球原地這熱量。但媽咪說有個較真的心態啊,所以這個答案遠遠不夠。電磁波是啥?具體怎麼傳導的?聽我慢慢道來。

“太陽光照射著地球”是我們看到的最直接的證據。但可見光只是電磁波的一種

上圖可以看出來,可見光在整個電磁波譜中只佔了一少部分!而太陽的熱輻射的電磁波主要波段在紅外線、可見光、紫外線中間(上圖標記的位置)。因此,地球接收到的由太陽發來的電磁波可見光只是一小部分,單憑這一小部分也不足以維持整個地球的溫度。絕大部分是我們看不見的紅外線以及紫外線。

這些波段在太空中幾乎不收到什麼影響(因為真空),但卻受大氣的影響有所衰減,而且衰減的程度各不相同。還幸虧有衰減!要不然所有的紫外線無損耗的射向地球,人類可受不了!這就要提到我們地球上層大氣的作用。可見光輻射的大部分可到達地面,但是上層大氣中的臭氧卻吸收了大部分紫外光輻射。由於臭氧層變薄,特別是南極和北極地區,到達地面的紫外光輻射越來越多。入射的紅外光輻射,有一部分被二氧化碳、水蒸氣和其他氣體吸收,而在夜間來自地球表面的較長波長的紅外輻射大部分則傳到了外空。這些溫室氣體在上層大氣中的積累,可能會使大氣吸收能力增加,從而導致全球氣候變暖和天氣變得多雲。由此可見,有了大氣這層天然電磁波減震系統,才有了我們適合的生存環境!

你會發現一切就是這麼神奇,太陽距離地球1.5億千米,加上2000~3000千米的大氣層,多麼合適的距離才能夠讓地球擁有生機,這麼看來,人類、地球是如此的幸運!

感謝題主這麼好的問題!


媽咪說MommyTalk


太陽和地球之間的宇宙就是行星際空間了,非常冷,溫度接近於絕對零度,這裡的溫度與宇宙的溫度基本接近、有知道光在真空環境中沒有熱效應,當太陽光照射地球,光的輻射能被地球上的物質吸收,從而發生熱效應。這就是太陽光照的由來,由於物體吸收的輻射能不同,產生的溫度也不同,這樣熱量就成功傳導了被照射的物體上。太陽產生的熱量來自氫核聚變,熱輻射可通過電磁波向外傳遞能量,由於地球與太陽之間巨大的距離,那麼這是一種熱輻射效果,由於光與熱是同一種東西,也就是光的熱效應。

太陽表面溫度可達到5000攝氏度,內部溫度為1500萬攝氏度,如此高溫的環境是太陽源源不斷釋放出熱量的原因。在地球表面和軌道上接受到的光照有些不同,經過大氣層的遮擋和屏蔽之後,熱效應的效率會降低。但是在軌道上,熱效應就非常明顯了,同一個物體的正面和背面的溫差就很大 ,正面可達到上百攝氏度,背面就是零下,這就需要材料的抗溫差範圍較大,傳統的材料已經無法滿足需求。這與月球表面是一個道理,在沒有光照的情況下,溫度直降到零下,有光照的地方就是高溫。當然,如果探測器直接飛入太陽,那麼不用多久就已經氣化掉,不用說距離恆星太近,就是足夠遠的位置,也會因為光的熱效應導致無法繼續生存下去。


深空電報


上海科技報科普問答主持人:主任記者 吳苡婷

太陽的熱量並不是通過我們普通人想象的熱傳導的模式來到地球的,而是通過電磁波輻射的模式傳遞的,所以可以不通過介質傳導,可以輕易地通過真空傳遞熱量。

我們先來科普一下什麼是熱量,熱量並不僅僅是我們所感覺到的炎熱。它是一種能量形式,當我們感覺到物體表面很熱的時候,是因為它內部的粒子在發生著劇烈的熱運動,他們彼此不斷地撞擊和反彈。這些運動發生的越快,物體表面就越熱。

自然界,熱量傳遞的模式有三種,熱傳導、熱對流和熱輻射。

熱傳導需要物體與物體之間的接觸,從本質上看,熱傳導是由物質中大量的分子熱運動互相撞擊,而使能量從物體的高溫部分傳至低溫部分,或由高溫物體傳給低溫物體的過程。我們使用熱水袋、電熱毯就是這樣的原理。

熱對流在我們的氣候中,出現得比較多,是指熱量通過流動介質,由空間的一處傳播到另一處的現象,在氣象學上,溫差導致了大氣對流,造成很多不同的天氣狀況的發生。在海洋洋流中,熱對流也是造成大洋環流的原因之一。

熱輻射是遠距離傳熱的主要方式,不需要任何介質在其中發揮作用。我們的太陽是一個不斷進行核聚變的巨大能量聚集地,它向四周不停息地發射著各種波長的電磁波,這些電磁波包括X射線、γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線等,波長範圍覆蓋了從X射線到無線電波的整個電磁波譜。其中很多對人體有害的電磁波被地球大氣層擋住了。


科壇春秋精選


眼前的冷不是冷,你說的熱是什麼熱?

要想回答這個問題倒也不難

熱量傳遞有三種方式:熱傳導、熱對流、熱輻射(小學自然知識,即使忘了看字面應該也能猜出來咋回事)

其中前兩項都需要介質,而宇宙可以認為是真空的,所以指望前兩種方式是靠不住了,因此傳遞方式只能是熱輻射。

但是這個問題牽扯到了很多熱力學概念,要想弄明白,還必須把這些概念好好捋一捋:

既然說到冷熱,首先來明確下溫度的概念:我們平時所說的溫度是是衡量分子熱運動劇烈程度的物理量。

按照這麼來說宇宙的溫度是沒法測量的,因為沒有物質也就談不上動能。

但是呢,任何物體只要溫度高於絕對零度就會將自身的能量以輻射的方式散發出去,並且溫度越高,波長越短,根據這個原理也可以定義溫度。

於是人們通過測量宇宙背景輻射的方式來得到宇宙的背景溫度約為2.73°K(-270.42°C),可以說是相當冷了。

根據這個道理,即便是太陽到地球的空間裡充斥著大量的輻射,也都只能算在太陽的頭上,宇宙還是可憐的2.73°K。

溫度與熱量顯然是兩個概念,都說冰淇淋熱量高,但它溫度又是低的。

熱量或者說能量是衡量做功能力大小的物理量。上面已經說明了太陽的能量是以輻射的形式傳遞給地球的,輻射能轉化為地球上粒子的動能,從而使得地球的溫度升高。當然地球在擁有了能量之後也會不停地散發輻射,過程如下:

輻射=>內能=>輻射

而地球能保持一個相對穩定的溫度很大程度上是靠大氣的逆輻射,本來要飄散到宇宙空間的能量被大氣層生生擋了回來。如果沒有大氣逆輻射,地球上最熱的地方應該是珠穆朗瑪峰,但實際上那裡是一片冰雪世界。

沒有大氣層的月球的向陽面可以達到123°C,而背陰面會降到-233°C。

感謝大氣層救命之恩!

以上。


包大人玩科學


太空和我們身邊環境之間的區別

這個問題的關鍵是,熱量究竟是什麼東西,弄清楚這個問題,再談熱傳遞的三種方式。也就是說,我們得弄清楚太空和我們身邊環境之間的區別,才能知道為什麼說“宇宙那麼冷”。

我們經常說“太陽帶給我們光和熱”,其實嚴格來說,這二者是一回事兒,因為熱就蘊含在陽光裡,光本身就是能量,而且是純之又純能量形式(當然,愛因斯坦質能方程已經統一了能量和質量這兩個概念)。

陽光即能量,陽光包含太多的成分,不僅僅是可見光,還有很多不可見的成分。比如熱效應最明顯的其實紅外線,我們坐在火爐旁邊感到熱烘烘的,主要就是紅外線從爐子輻射到了我們身上。而且紅外線就是天文學家赫歇爾在測量陽光熱效應的時候發現的。好了,我們現在知道了光,是一種電磁波,或者我們更廣義地把電磁波都叫做“光”,你可以叫紅外光、紫外光、X光、伽馬光,都行。

電磁波跟我們日常生活中所見到的其他波動形式不同。比如聲音,也就是聲波,傳遞起來必須有介質,比如空氣。抽走了空氣,你就聽不到聲音了。比如宇宙中有很多爆炸,但宇宙空間大多數是真空,我們夜晚看星空覺得寂靜無比,這就是那些聲波穿不過來。

可電磁波,奇怪,它傳播起來不需要介質,在真空裡就能傳播,因為它本身就是一個能量包,既是粒子,也是波動。所以陽光可以從太陽經歷我們之間的真空來到地球,“帶給我們光和熱”。

真空環境本身呢?因為它是真空,留不住人才……留不住能量。所以從衡量溫度的方法來說,它是極低溫的,接近絕對零度。你測量溫度的時候,必須是遮擋住陽光的。所以對於航天器來說,向陽面,能夠接受到陽光的能量被烤熱;反之,不朝向太陽的方向上,就是低溫。所以航天器就得時常翻一翻身體,保證受熱相對差別不太大。

所以,這個問題涉及到了熱、光、測量溫度本身。尤其是對於光的本質的理解,是19、20世紀重大的科學進步。在我們身邊的這些問題,都很有趣,也能帶我們去深入理解科學。


松鼠老孫


太陽和地球之間的宇宙那麼冷,並不能影響太陽通過光輻射和粒子輻射將熱量傳到地球!

首先,太陽之所以可以給地球提供持續不斷的能量,就是由於太陽光輻射。這種輻射連續存在、週期性、永遠延續。因而使地球總能獲得能量,從而可以生機勃勃。至於題主所說的太陽和地球之間比較冷的問題,這不是問題。就像冬天的時候,你在中午也可以感受太陽的溫暖。傳播介質的溫度只會影響傳播效率,但是隻要熱源夠強,還是可以將熱量送達!

其次,太陽還可以通過粒子輻射,不定期給地球送能量獎金。相比光輻射像工資一樣,永遠延續,粒子輻射則像獎金,它只能是偶然發生、持續時間也長短不一。但是由於單次能量較強,也對地球的溫度會產生較大影響。

總之,太陽通過持續的光輻射和偶然的粒子輻射,給地球以能量,傳播路徑的冷並不能影響這一過程!


地震博士


題主的題設就值得商榷——太陽和地球間的宇宙空間很冷嗎?

我們知道,熱的東西和冷的東西放在一起,整體上,會有熱量從熱的部分「流到」冷的部分。反過來,判斷一個東西是不是很冷,也要與一個參照物做比較才能得出結論。

在生活中,我們可以說,「今天的氣溫是三十攝氏度」,這指的是當地空氣的溫度。也就是氣體的溫度,我們的體溫比三十度高,所以我們會相空氣散發熱量。而地球與太陽之間的空間,卻不是全然的真空——其中充滿了高溫的「光子氣」,光子氣的溫度可以由統計力學嚴格定義,但這裡可以用一個不太嚴格的方式,大致展示一下光子氣的溫度。

我們假設在地-日之間的某一處,放置了一個小球,並可以測量這個球的溫度。那麼,這個球溫度穩定的時候,周邊光子氣的溫度就大致如此(因為物體的形狀會影響平衡時的溫度)。而一個最為明顯的「球」,就是地球。我們可以將地球維持當前溫度的事實,看作是地球與周邊光子氣的一種熱平衡。也就是說,地球的溫度可以看作是和光子氣源源不斷地進行熱交換而維持的。

從另一個角度來看,「熱」是如何從太陽傳到地球來的呢?首先,我們需要知道,所謂「熱」,就是能量。光子攜帶能量,與其他粒子相互作用,比如被電子吸收,等等,光子本身就消失了,而能量則傳遞到了這個粒子上。而從宏觀來看,這些粒子的動能增加,就是所謂「變熱」。


章彥博


“溫度低不代表感覺冷”,真空環境自身既不能釋放熱量,也不能吸收熱量。

太陽通過核聚變反應釋放的熱量只能通過熱輻射方式傳遞到地球,熱輻射是不需要任何介質的,在真空中也可以傳遞,太陽會向宇宙中釋放太陽輻射,而傳遞到地球上的太陽輻射只佔到了太陽向宇宙中釋放的熱輻射的20億分之一的能量,這些輻射能量傳遞到地球大氣層時部分會被吸收,例如臭氧吸收紫外線,水汽和塵埃也能降低10%左右的輻射能量,最後到達地面的太陽輻射使地球增溫。


科學薛定諤的貓


熱量傳遞有三種方式——輻射、傳導和對流。在自然界中,這三種方式常常混在一起,這樣就造成一些誤解,所以下面我們把它們分開來講講。

輻射是說光子或者其他粒子打到被輻射的物體上,引起物體溫度的升高。典型的例子就是炎炎夏日,如果站在烈日下,會被曬的很慘,這裡面的曬就是來自太陽的陽光輻射的效果。陽光不僅會曬傷皮膚,還會把柏油路面曬化,把井蓋曬得可以煎雞蛋。但是我們常說的氣溫以及感受到的悶熱的空氣,卻不是太陽輻射導致的。不信的話,你可以站到樹蔭下,或者打一把100%遮光的大傘,看看是不是還能感受到氣溫的熱度?

這種氣溫的升高主要就是傳導和對流的效果了,和輻射這種可以跨越億萬光年的方式不同,傳導和對流這兩種加熱方式受到空間的限制,主要對熱源附近的區域內比較有效,而且需要介質的幫助。比如靠近地表的空氣更容易被加熱,海拔每升高100米,氣溫平均會下降0.6度,這樣一來夏天去山上或者高原避暑就成為了很多人的選擇;而到了民航客機飛行的萬米高空,機艙外的氣溫常常是零下幾十度,寒冷程度堪比南極了。

回到題主的問題,太陽和地球的距離很遠,兩者中間的行星際空間很空曠,是什麼給了地球溫暖?答案就是太陽光(電磁輻射)。

宇宙浩瀚無垠,個人水平有限。如有疏漏,請多指教。


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