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太陽表面5500度,地球都曬熱了,為何日地間的太空卻是絕對零度?!
2023/11/15

在太陽系中,太陽是我們的中心之一,它擁有超過100倍地球質量的巨大體積。 太陽光的能量在地球上發揮著重要的作用。它是地球上所有生命的能量來源。綠色植物通過光合作用,利用太陽光的能量將二氧化碳和水轉化為氧氣和有機物質,從而維持了地球上復雜而多樣的生態系統。太陽光也是地球上氣候和天氣形成的重要因素之一。它的輻射量和分布方式,直接影響著地球的溫度、氣候和季節的變化。

因為有著太陽光的照射,地球的平均溫度維持在大約15攝氏度左右,盡管在極低地區最低能到-93.2℃,在沙漠地區最高能到56.7℃,但從整體上來說,地球的溫度處于溫暖的范圍,能夠支撐我們的生存。 然而太空中卻不一樣,在近地軌道,物體可能長時間維持在零下幾十攝氏度。在沒有太陽照射的情況下,物體最終可能會接近絕對零度,為什麼太陽把地球都能照熱了,處在地球和太陽之間的太空卻冰冷?

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太陽的溫度從何而來?

要搞清楚這個問題,我們首先要知道太陽的溫度。 太陽的表面溫度約為攝氏5500度,這個高溫來源于核聚變反應釋放的能量。在太陽的核心,溫度高達數百萬攝氏度,壓力也非常巨大。這樣的條件使得氫原子核能夠克服相互之間的電荷排斥力,發生核聚變反應。

核聚變反應是指兩個或多個原子核相互融合形成一個新的原子核的過程。在太陽內部,主要發生的核聚變反應是氫的核聚變,其中四個氫原子核(質子)融合形成一個氦原子核。 具體的反應過程是:4個質子 → 1個氦原子核 + 能量。

在這個過程中,四個質子的總質量稍微大于形成的氦原子核的質量。 根據質能方程(E=mc²),質量的微小差異轉化為能量,并以光和熱的形式釋放出來。

能量釋放的過程涉及到質子之間的相互作用力和核力。當質子在太陽內部的高溫和高壓條件下靠近彼此時,會克服它們之間的電荷排斥力,使得核力開始起作用。 核力是一種很強的吸引力,可以將質子綁在一起形成氦原子核。

在氫原子核融合成氦原子核的過程中,一小部分質量轉化為能量,根據質能方程,能量的釋放量非常巨大。 這是因為光子(光和熱的基本粒子)具有很高的能量,且在太陽內部發生的大量核聚變反應會產生大量的光子。這些光子以光和熱的形式傳播到太陽的表面,使得太陽的表面溫度極高。

溫度到底是什麼?

在溫度從內部傳播到太陽表面的過程中,我們也發現它其實是微觀粒子在高速運動,這才使得太陽表面溫度升高。 當光子到達太陽表面時,它們與光球中的原子和電子相互作用。

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這些相互作用導致光子的能量被吸收和重新輻射,最終以形式各異的光和熱輻射釋放到太空中。這些光和熱輻射構成了太陽的輻射帶,包括可見光、紫外線和X射線等。

科學家們也早就發現了溫度的本質:物體內部微觀粒子的平均動能的度量,簡單來說就是微觀粒子的運動。 微觀粒子(如原子或分子)具有熱運動,它們以高速度在空間中不斷運動、碰撞和交換能量。這種熱運動的速度和能量與溫度有關。當物質的溫度升高時,微觀粒子的平均動能也增加,它們的運動速度更快,碰撞更頻繁,能量交換更加劇烈。了解到這一點后,科學家們就總結出了熱量的三種傳遞方式。

熱量的傳遞方式

熱可以通過三種基本的傳遞方式進行傳遞:傳導、對流和輻射。傳導是指熱量通過物質的直接接觸和分子之間的碰撞傳遞的方式。

當物體的一部分處于高溫而另一部分處于低溫時,熱量會沿著溫度梯度從高溫區域傳導到低溫區域。比如當熱水與人體皮膚接觸時,熱量通過傳導從熱水傳遞到皮膚。

對流是指通過流體(氣體或液體)的對流運動傳遞熱量的方式。當流體受熱時,它會膨脹變得較輕,上升形成對流流動。這種對流運動可以將熱量從一個區域傳遞到另一個區域。例如,當暖空氣上升并與周圍的冷空氣交換熱量時,就會發生對流傳熱。

輻射是指通過電磁波的傳播傳遞熱量的方式。在輻射傳熱中,能量以電磁波的形式從熱源(如太陽)發射出來,并在沒有介質的情況下傳播。當這些輻射能量被吸收時,它們轉化為熱能。太陽光中的熱輻射(包括可見光和紅外線)與皮膚相互作用,光子的能量被皮膚吸收,并使得皮膚原子中的電子躍升能級,然后再跌落釋放出能量,從而使人體的溫度上升。搞懂這一點,太空中的低溫就很好解釋了。

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為什麼太空那麼冷?

太空是一個幾乎完全的真空環境,缺乏氣體或其他物質來傳導熱量。在地球上,熱量可以通過傳導、對流和輻射等方式傳遞,但在太空中,沒有氣體或液體來傳導熱量,因此熱量不能有效地傳遞。

而且太空中的物質非常稀薄,即使存在一些帶電粒子、塵埃或氣體,它們的密度遠遠低于地球上的大氣層。由于物質的稀薄程度,能夠傳遞熱量的粒子數量非常有限,因此無法形成高溫環境,它無法表現出溫度。

最關鍵的是,在太空中,物體還會通過輻射來失去熱量。輻射是熱能以電磁波的形式傳播,而無需媒介物質。物體會向周圍的環境輻射熱能,使其溫度降低。 由于太空中幾乎沒有物質可以吸收這些輻射并重新輻射回來,因此會持續地失去熱量,導致溫度進一步降低。

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太空中的溫度雖然號稱接近絕對零度,但它實際上并不會令人立即凍結。

在太空中,沒有氣體或液體來傳導熱量,因此熱傳遞的方式受限。直接的熱傳遞路徑被剝奪,因此無法快速從人體表面帶走熱量。這意味著人體不會立即感受到極低的溫度。太空中的物體可以通過輻射來失去熱量,人體也會通過輻射散熱,但由于人體溫度相對較低,輻射能量較少,散熱效率相對較低,這意味著人體在太空中輻射散熱的速度較慢。

然而太空自有一種快速散熱的方式:真空。 真空的環境缺乏氣體壓力和分子。當人體暴露在真空中時,液體(如水)會迅速蒸發,因為周圍沒有足夠的壓力來保持液體狀態。這導致液體表面的分子從液態直接轉變為氣態,帶走熱量并加速散熱。但那時我們需要擔憂的首先不是體溫而是窒息問題,沒有氧氣人類用不了幾分鐘就會窒息而死,而尸體也會在死后緩緩結冰。

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調節和保持溫度的最大功臣

太陽光是地球適宜溫度的主要來源,但在調節和保持地球的溫度上大氣層才是真的居功至偉。

太陽光是地球上幾乎所有能量的主要來源。 太陽輻射出的短波輻射(包括可見光)穿過大氣層,部分被地球表面吸收,轉化為熱能。這種吸收的能量被轉化為地球的熱量,使地球表面升溫。然而與地球相似的火星也受到太陽光照射,為何火星的平均溫度才-55℃?原因就是大氣層。

大氣層中的溫室氣體能夠吸收地球表面輻射出的長波輻射,并將一部分能量重新輻射回地面(熱量的輻射傳遞),使地面保持相對較暖,這就是著名的溫室效應。溫室效應使得地球表面的平均溫度升高了約33攝氏度,使得地球上的生命可以存在和繁衍。溫室氣體在一定程度上阻礙了地球上的熱量向外空間的輻射流失,起到了保溫的作用。

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結語

熱量主要有三種傳遞方式,分別為傳導、對流和輻射。然而太空中缺乏物質,因此傳導和對流幾乎不存在,最關鍵的輻射因為缺乏物體來吸收并反射,也使得損失太空中的輻射熱量損失遠遠大于太陽輻射的熱量輸入,最終導致太空中極低的溫度。

從熱量的傳遞方式來看,地球并非被曬熱而是被焐熱的,這也說明了適宜的溫室效應是必須的,否則恐怕地球早變成寒冷的火星了。

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