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太阳巨大能量,为啥晒不热太空,到了地球却温暖万物?

太阳源源不断发出的巨大能量,经过长途跋涉到达地球,温暖哺育了亿万生物,而流经的太空却没有一丝热气,据说零下两百多摄氏度。这是一个令很多人都疑惑的问题。过去我们也讨论过这个问题,今天就从另外的角度,更通俗地说一说。

其实这个道理很简单,就是能量要通过物质的吸收转化,才能够转变为热能。没有物质吸收能量,就没有热量。太空几乎什么都没有,就无法留住能量了。

先了解一下什么是“热”

我们说的“热”是指物体的冷热程度,一般用温度来表示。何谓物体?就是物质存在的实体。因此热必须有物质存在,能量与物质的交互作用,能量被吸收,才会产生热。而所谓“热”是通过温度的高低来衡量的,这是人们从宏观角度对热和温度的认识。

从微观方面来说,物体的冷热程度是由物体内部分子热运动的剧烈程度决定的,其表现出来的就是温度这个物理量。因此,温度是物体分子运动平均动能的标志,是大量分子热运动的集体表现,是具有统计意义的物理量。

温度对于个别分子是没有意义的,也就是说即便个别分子热量再高,也是无法显示温度的。人类为了统一认识热度,长期实践中确定了衡量热度高低的温标,国际上常见的有:热力学温标,又称开尔文,符号表示为“K”;摄氏温标,也叫摄氏度,符号表示为“℃”;华氏温标,也叫华氏度,符号表示为“H”。

热力学温标是国际绝对温标,是科学研究中用得最多的温标,其他温标都是以这个温标为准的。热力学温标1K的间隔与1℃间隔一样,只是起点比摄氏温标要低273.15度。宇宙最低温度为热力学温标0 K,也叫绝对零度,对应摄氏温标为-273.15℃,因此0 ℃就等于273.15 K,100℃就等于373.15 K。以此类推,热力学温标减273.15度就是摄氏温度。

华氏温标对应热力学温标比较复杂,与摄氏温标的换算为:℃ = 5*(H-32)/9或°F = (9/5×°C)+32,这样,0 ℃ = 32 H,100 ℃ = 212 H。

温标是人类衡量热量高低的标准。

太阳光是电磁辐射能量

太阳是太阳系唯一的恒星,恒星是由炽热的气体组成,其能量来源于核心部分的核聚变反应。恒星体积和质量都很庞大,比如我们太阳体积为地球的130万倍,质量为地球的33万倍。巨大的质量形成的向心引力压导致太阳核心温度达到1500万 K,压力达到3000亿个地球海平面大气压。

在这样的高温高压下,核心的氢原子外围电子被驱离了,露出原子核,原子核与原子核就形成了核融合反应,就是所谓的核聚变。经过科学家计算,像太阳这样质量的恒星,核心核聚变每秒钟有6亿吨的氢转化为5.958亿吨的氦,其中亏损了420万吨质量,这些质量就转化成能量。

爱因斯坦创立的质能方程揭示了质量和能量的等价和相互转化性质,其表达式为:E=MC^2。这里的E表示能量,单位为J(焦耳);M表示质量,单位为kg(公斤);C为光速,单位m(米)。

根据爱因斯坦质能方程计算,太阳每秒钟亏损的质量达到420万吨,全部转化为能量达到3.78*10^26J。这是个什么概念?每吨炸药爆炸能量为4184000000J,每度电能量为3600000J,也就是说太阳每秒钟释放的能量相当9亿亿吨炸药爆炸能量,或者10500亿亿度电。

全世界现在拥有核弹总量约100亿吨当量,太阳每秒释放的能量相当全球核弹同时爆炸总能量的900万倍;全球现在发电总量约30万亿度,太阳每秒释放能量相当现在全球发电总量的350万倍,也就是350万年的发电量总和。

太阳的这些能量是以电磁辐射的方式源源不断地释放到太空,我们地球可以接收到其22亿分之一,就相当于1000万座三峡大坝的发电总量,相当每秒钟有3000个广岛原子弹同时爆炸的威力。

电磁辐射就是“光”

电磁辐射的传播媒介是光子,因此电磁辐射从某种意义上来说就是光。但这个光是广义的光,包括可见光和不可见光。我们通常说的光,是人类肉眼可见的光,人类就是通过可见光来看到世间的一切的,没有这个可见光,人眼就是一抹黑,什么也看不到。

但现在人类可以通过射电、射线等设备仪器,看到不可见光,如无线电波(包括长波、中波、短波、微波)、红外线、紫外线、X射线、γ射线等等,由此就对这个世界了解的更透彻更深刻了。

不同的光波长和频率不一样,波长越长频率越低能量也越低;波长越短频率越高能量越高。可见光波段约在380nm~760nm之间,是复合光,可分为红橙黄绿青蓝紫等,红光波长最长,能量最低;蓝紫光波长最短,能量最高。所以有些卖眼镜的,就打出防蓝光护眼的卖点,就是这个道理。

无线电波、红外线波长比可见光波长更长频率更低,因此能量更低;紫外线、X射线、γ射线的波长一个比一个短,频率一个比一个高,因此能量一个比一个大。所以紫外线以上频率的不可见光,对人体是有伤害的,越短波长的光伤害越大,这就是照X光不能照久的原因,伽马射线就更厉害了。

我们知道,光的传递是无须介质的,越没有介质越快,因此光在真空中传递最快,每秒钟约30万千米。太阳距离地球约1.5亿千米,太阳光就是通过接近真空的太空传递到地球的,约8分20秒就能到达。

电磁辐射在真空度越高的空间传递,损失的能量就越小,太阳光来到地球后,能量损失很小,因此可以给地球带来温暖。

在阳光照射下太空依然很冷的原因

相信看了前面的铺垫,大家应该对太阳经过太空,太空却依然很冷;而太阳照到地球后,却能让地球变热的原因了吧?对,正是因为太空中没有物质,因此不会吸收能量,所以热不起来,温度也就很低了。太空中的粒子越稀少,温度就越低。

但这种低不会到绝对零度,这是因为太空中并不是绝对真空,还是有不少粒子存在的。一般来说,宇宙空间平均密度很小,在最真空的地方,每立方米只有1个粒子。这些粒子吸收恒星发出的电磁辐射,就会让接近真空的太空温度提升一点点。

在太空中,人们发现温度最低的地方是布莫让星云,只有1.15 K,也就是-272℃;宇宙微波背景辐射约3 K。而在太阳到地球的1.5亿千米空间,温度远远没有到达这样低,这是因为在这个空间,太阳风吹出的带电粒子很多,距离太阳越近越多,温度越高;越远越稀疏,温度就越低。

到了地球外太空,就每立方厘米只有约10个粒子左右了,因此温度低至-250℃以下。这就是太阳光虽然经过太空,太空依然很冷的原因。因为太阳电磁辐射虽然能量很大,但没有物质或极少物质交换吸收,这些能量没有被拉住,就只是经过一下了。

但如果有人在那个空间暴露,被阳光照射的一面就会很快被烤熟,而背阴面会被冻得梆硬。这就是阳光辐射必须与物质交换才会产生热量的原因。

阳光到达地球为啥会发热呢?

这是因为地球有浓密的大气分子,太阳发出的电磁辐射能量与大气层的大气分子交换,就让大气分子活跃起来,大气密度越大,气体分子运动就越剧烈,温度就越高。

地球大气层理论上没有严格界限,在10万千米高空,还有大气分子存在,但已经很稀薄了。科学研究一般把大气层的厚度定为1000千米,大气越接近海平面,密度越大。在1个标准大气压温度为0 ℃时,海平面大气密度约1.29kg/m^3,换算成大气分子约2.6875*10^19个/cm^3,也就是每立方厘米约2700亿亿个大气分子。

这么多的大气分子,在光辐射的激发下,剧烈震动,接触到皮肤当然就会感到温暖了。如果阳光直接照射到人的皮肤或物质上,人的皮肤和物质密度比大气大多了,因此热量温度就更高。这就是人们冬天喜欢晒太阳,夏天喜欢躲在树荫下的缘故。

在大气层上层的热层,约海拔300~500千米处,太阳能量会将那里的大气分子激发到约2000℃高温,但由于那里的空气非常稀薄,密度只有海平面的1000亿甚至几千亿分之一,因此是感受不到热度的,体感温度只有-100~200℃,因此,如果那里有人只会被冻得梆硬。

但宇宙飞船或者宇航员在那个高度,被阳光直接照射,表面温度很快就会达到近200℃。这是因为阳光能量与密实的物体接触而发生的能量交换。在海拔越高空气越稀薄的地方,人或物体受到的辐射就越大,这也是人们爬珠峰,到达顶峰,虽然很冷,但阳光能量更强烈,更会灼伤皮肤的原因。

地球大气层对生物的保护

我们赖以生存的地球,正是有了一层浓密的大气,才保护了生命,既能得到太阳的温暖和能量,又能够防护隔离掉太阳辐射的危害。

当太阳能量辐射到达地球时,里面包含着高能辐射的紫外线和X射线,还有一些高能带电粒子轰击过来,这些高能射线经过地球大气层,尤其是臭氧层的过滤,就几乎都被吸收和反射掉了,只有可见光为主的较低能辐射来到地球,让地球万物沐浴在太阳光下茁壮成长。

如果没有太阳光,地球所有的植物都无法进行光合作用,无法合成养分供自己生长并向外释放氧气,很快就会枯萎死亡;动物们缺少阳光,就无法合成很多身体需要的元素,又没有了植物性食物和依靠植物生存的草食动物肉类食物,也没有了依靠草食动物肉类生存的肉食动物肉类食物,除了灭绝没有第二条路。

但如果没有大气层保护,生命同样无法存续。月球虽然并非完全真空,那里的大气分子每立方厘米也有约80000个,比宇宙空间密度大多了,但比地球上人工制造的一般高真空度还要高很多,只有地球大气密度的300多万亿分之一,因此月球是一个高度真空世界。

太阳照射到月球,那点大气分子几乎没有阻挡作用,被太阳照射到的地方,温度会骤升到130℃,背阴处温度会骤降到-180℃,是个冷热两重天的世界,而且还随时受到宇宙高能能射线的轰击,由此,那里是个不毛之地,连一个细菌也无法成活。

我们地球家园,阳光哺育着万物,大气又隔绝了阳光过强能量的伤害,是宇宙中非常稀有的生命乐园。作为统治这个乐园的人类,一定要好好保护这个美好的环境,才能够享受得更长久。

就是这样,欢迎讨论,感谢阅读。

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