儘管地球上最冷時能達-93.2℃,最熱時則能到56.7℃,但地球最近數千年來的平均温度一直維持在15℃左右,令人非常好奇的是,太陽的温度在5500K左右,大約是5226℃,在太陽和地球之間廣袤的太空卻處接近絕對零度!
比如月球夜間甚至低到-183℃,需要核電池產生熱量來保温,而在近地軌道的太空也是冷到結冰,阿波羅13號當年從月球返回地球,由於服務艙爆炸,電池電量不足,幾位宇航員凍到發抖,而在《復仇者聯盟》中的烏木喉,直接在太空中凍成了冰坨坨,地球都曬熱了,為什麼天空是冰冷的?
温度是怎麼來的?
在瞭解温度之前,先來大致瞭解下太陽為什麼會發光發熱:太陽是個直徑大約140萬千米的恆星,如此大質量的天體,引力坍縮導致的內核温度升到了極高的程度,使得氫原子的電子已經脱離軌道,原子核處在離子狀態。
而超高温度下,氫原子核的碰撞聚變成了氦原子,在這個過程中損失的那部分質量轉變成了能量,而在太陽內部,大約有一個直徑30多萬千米的區域正在進行着這樣的反應,太陽的熱量就是從這散發出去的。
這個部位的熱量通過輻射、對流傳導到了表面,將整個太陽都燒成了等離子狀態,地球上曬到的光和熱就是太陽表面散發出來的,但能量來源在內核部位。
温度到底是什麼?
上文中剛剛聊到了太陽內核部位的聚變過程,由於引力坍縮的能量輸入,氫原子的電子已經遊離,處在等離子狀態,而原子核之間的劇烈運動導致了碰撞的發生,也就是核聚變產生的真正原因。
在這個過程中,引力坍縮是能量來源,碰撞是過程,聚變和釋放能量是結果,而表現就是温度!舉例的是太陽內核,但温度的本質是微觀粒子的運動卻是不會改變的,這個道理早在100多年前前赴後繼的科學家就已經發現了。
比如開水燙到人,那是水分子劇烈運動碰撞了人的皮膚,能量被皮膚吸收,超過了皮膚承受極限而燙傷,假如温度低一些,那麼撞擊到皮膚的水分子能量就不一定會傷到人,反而會讓我們暖洋洋的很舒服。
假如微觀粒子都靜止不動了,那麼它的温度就趨向於絕對零度,當然這是一個不可到達的温度,只能通過物理計算。
熱有幾種傳遞方式?
冬日裏泡熱水澡就是熱的一種傳導方式,温熱的水接觸到了人體,將熱量傳遞給了皮膚,這是傳導,還有一種就是曬太陽,暖洋洋的陽光曬在人身上,渾身舒坦,這就是熱的輻射方式,媒介是光(包括可見光和其他不可見的低頻(紅外)高頻輻射(紫外))。
光子撞擊皮膚,將能量傳遞給了人體皮膚原子外圍的電子,使得電子能級躍升,再跌落釋放出能量,再吸收,再跌落一直重複這個過程,使得人體温度上升,當然如果光子能量很大,那麼會灼傷人,比如用透鏡聚光或者夏日裏暴曬太久。
還有一種則是對流,這個方式在北方比較多見,冬天的取暖片上方感覺最熱就是這個原因。
為什麼太空那麼冷
瞭解了熱傳遞的三種方式,那麼討論太空冷熱就簡單多了,温度的本質是微觀粒子的運動,所以它需要一種媒介來表現,那麼太空中用什麼媒介來表現温度呢?答案是沒有!因為理論上的太空可以用宏觀狀態的“什麼都沒有”來表達。
但事實上太陽系內的太空仍然充斥這大量的帶電粒子,這是來自太陽的高能粒子,也有黃道面上聚集的大量塵埃,但這就是和地球最稀薄的100千米高度的大氣層頂端分子數量都無法相比,能表現出温度的媒介太少,所以理論上的太空是“温度”是很低的。
黃道光成因
就像大氣層中有一個熱層,此處的温度高達成百上千度,但卻非常寒冷,因為整體能給予的能量太少了!所以在幾乎沒有任何粒子運動的太空,它的温度接近絕對零度。
太空真的那麼冷嗎?
有一種誤解是太空真的很冷,人到了太空馬上就會結冰,但這其實錯得很離譜,人體感覺冷有幾種狀況,比如接觸冰塊或者被寒風吹到,會感覺很冷,但在太空,既沒有寒風也沒有冰塊,請問怎麼個冷法?
當然還有輻射會降温,但人體體温本來就不高,輻射散熱效率很低,人體並不會瞬間結冰,所以太空並不冷,但最可怕的不是這個因素,而是“真空”,這個狀態下,人體表面液體會大量蒸發帶走熱量,這才是低温的來源,但人體表面水分有限,很快就會停止,人體也會在死亡後通過輻射慢慢降温,最終還是會結冰,只是過程會很久。
比如丟一坨水到太空,它並不會先結冰,而是先沸騰,在沸騰過程中被帶走大量的熱後結冰,要不然太空中的冰是哪來的,不都變成水蒸氣了麼?
地球真的是被曬熱的嗎?
準確的説,地球並不是被曬熱的,而是被捂熱的!地球和火星很大的不同就是有一個比較厚實的大氣層,還有水蒸氣以及二氧化碳等,還有水圈和岩石圈等組成!
其中最關鍵的有兩個,一個是大氣圈,一個是水圈,這是地球保温的最大功臣,假如沒有這兩個温室效應,那麼地球的温度大約會是-21℃,當然這個温度下赤道還是會比較温暖,但夜間也會冰冷刺骨,而其他地區則會滴水成冰,生命根本就不會誕生!
所以適當的温室效應是必須的,但過高也會導致嚴重後果,就像金星就是温室效應失控了,表面温度超過450℃,簡直比地獄還地獄!