03.05 太阳和地球之间的宇宙那么冷,热量是怎么传到地球的?

你的老师父


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。


深空电报


我觉得题主的问题很好啊,不请自答!这个问题涉及到很多知识点,敲黑板了哈哈

首先我们要了解热量传递的三种方式:

1、导热

当物体各部分之间不发生相对位移或不同的物体直接接触时,依靠物质的分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为导热(热传导),所以理论上讲导热可以在固体、液体、气体中进行。

显然,太阳和地球不是以这种方式传递热量的,继续:

2、热对流

热对流又称对流传热,指流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程。

这个一般人关注的比较少,但是在生活当中却很常见!由于气体对流比液体对流明显,所以热对流是影响火灾发展的重要因素!

但也不是题主要找的正确答案。

3、热辐射

热辐射的概念是物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。怎么理解呢,一切温度高于绝对零度(-273.15°)的物体都能产生热辐射,温度愈高,辐射出的总能量就愈大,短波成分也愈多。热辐射的光谱是连续谱,波长覆盖范围理论上可从0直至∞,一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播。太阳由于温度很高,所以它的一生就是向外发射热辐射的过程,就像是一个动感超人,一直在发射动感光波,只不过由于距离我们太远了,“动感光波”打到我们身上并不能让我们爆炸或者blabla,但足够让我们感受温度!由于电磁波的传播无需任何介质,所以热辐射是在真空中唯一的传热方式。

我们貌似找到答案了呢,太阳通过热辐射向地球原地这热量。但妈咪说有个较真的心态啊,所以这个答案远远不够。电磁波是啥?具体怎么传导的?听我慢慢道来。

“太阳光照射着地球”是我们看到的最直接的证据。但可见光只是电磁波的一种

上图可以看出来,可见光在整个电磁波谱中只占了一少部分!而太阳的热辐射的电磁波主要波段在红外线、可见光、紫外线中间(上图标记的位置)。因此,地球接收到的由太阳发来的电磁波可见光只是一小部分,单凭这一小部分也不足以维持整个地球的温度。绝大部分是我们看不见的红外线以及紫外线。

这些波段在太空中几乎不收到什么影响(因为真空),但却受大气的影响有所衰减,而且衰减的程度各不相同。还幸亏有衰减!要不然所有的紫外线无损耗的射向地球,人类可受不了!这就要提到我们地球上层大气的作用。可见光辐射的大部分可到达地面,但是上层大气中的臭氧却吸收了大部分紫外光辐射。由于臭氧层变薄,特别是南极和北极地区,到达地面的紫外光辐射越来越多。入射的红外光辐射,有一部分被二氧化碳、水蒸气和其他气体吸收,而在夜间来自地球表面的较长波长的红外辐射大部分则传到了外空。这些温室气体在上层大气中的积累,可能会使大气吸收能力增加,从而导致全球气候变暖和天气变得多云。由此可见,有了大气这层天然电磁波减震系统,才有了我们适合的生存环境!

你会发现一切就是这么神奇,太阳距离地球1.5亿千米,加上2000~3000千米的大气层,多么合适的距离才能够让地球拥有生机,这么看来,人类、地球是如此的幸运!

感谢题主这么好的问题!


妈咪说MommyTalk


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


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


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%。


物理新视野


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


“温度低不代表感觉冷”,真空环境自身既不能释放热量,也不能吸收热量。

太阳通过核聚变反应释放的热量只能通过热辐射方式传递到地球,热辐射是不需要任何介质的,在真空中也可以传递,太阳会向宇宙中释放太阳辐射,而传递到地球上的太阳辐射只占到了太阳向宇宙中释放的热辐射的20亿分之一的能量,这些辐射能量传递到地球大气层时部分会被吸收,例如臭氧吸收紫外线,水汽和尘埃也能降低10%左右的辐射能量,最后到达地面的太阳辐射使地球增温。


科学薛定谔的猫


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


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。


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