溫度到底是什么?
其實(shí)要了解地球是如何接收太陽(yáng)熱量的問(wèn)題,我們就得先來(lái)看看了解一下:溫度到底是什么?
關(guān)于這個(gè)問(wèn)題,物理學(xué)上有嚴(yán)格的定義,不過(guò),這里我們僅僅需要從微觀的視角來(lái)看,我們都知道物質(zhì)都是由原子構(gòu)成,原子其實(shí)并不是整齊地排列在一起。實(shí)際上,它們是非常凌亂地到處亂跑。
那這和溫度有什么關(guān)系呢?
科學(xué)家發(fā)現(xiàn),溫度的本質(zhì)上就是微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。具體是什么意思呢?
同樣是到處亂跑,分子也有運(yùn)動(dòng)很劇烈和不怎么劇烈的差別。當(dāng)分子整體運(yùn)動(dòng)的特別劇烈時(shí),溫度就很高。當(dāng)分子整體運(yùn)動(dòng)的并不是很劇烈時(shí),溫度就相對(duì)降低。我們用分子的平均動(dòng)能來(lái)描述:
分子的平均動(dòng)能越大,溫度越高;
分子的平均動(dòng)能越小,溫度越低。
太空不是真空,也不是絕對(duì)零度
通過(guò)上文的講述,我們了解了溫度的本質(zhì)。但這里要多補(bǔ)充一點(diǎn),那就是溫度要體現(xiàn)出來(lái),需要足夠多的分子數(shù),這是建立在大規(guī)模統(tǒng)計(jì)之上的結(jié)果,而不是說(shuō)幾個(gè)分子就能夠成立的。
平時(shí),我們常說(shuō)宇宙是真空的,或者宇宙是絕對(duì)零度的。實(shí)際上這兩個(gè)說(shuō)法是錯(cuò)誤的。具體是咋回事呢?
這里我們來(lái)簡(jiǎn)單的科普一下,首先,太空確實(shí)很空曠,這點(diǎn)確實(shí)沒(méi)有錯(cuò)。我們可以通過(guò)宇宙學(xué)理論來(lái)計(jì)算宇宙的平均密度,這個(gè)密度的水平大概就是一立方米不到一個(gè)氫原子的水平。在地球上的任意一個(gè)實(shí)驗(yàn)室中都無(wú)法做到這個(gè)程度的“真空”,但畢竟還是有“原子”,因此,太空并不是真空的。不過(guò),由于微觀粒子數(shù)量實(shí)在太少,因此,太空并不能夠很好地顯示出溫度來(lái)。
很多人都以為宇航員如果暴露在太空中會(huì)被凍死,通過(guò)這段講述,你應(yīng)該就會(huì)知道,宇航員其實(shí)并能夠感受到太空的溫度,更談不上凍死,實(shí)際上,人如果暴露在太空中,要么憋死,要么體液沸騰而死。
除此之外,太空也不是絕對(duì)零度,具體來(lái)說(shuō),這個(gè)溫度應(yīng)該是比絕對(duì)零度高2.7度,記為2.7K。這個(gè)溫度來(lái)自于宇宙大爆炸殘留下來(lái)的“余溫”,也被我們稱為宇宙微波背景輻射,目前我們可以通過(guò)探測(cè)器來(lái)探測(cè)到它。
地球如何接收太陽(yáng)的熱量
了解了上述的情況,我們?cè)賮?lái)看看地球是如何接收太陽(yáng)的熱量。一般來(lái)說(shuō),熱量的傳遞分為三種方式分別是:
- 熱傳導(dǎo)
- 熱輻射
- 熱對(duì)流
地球接收太陽(yáng)的熱量屬于熱輻射。
具體來(lái)說(shuō)是這樣的,太陽(yáng)的內(nèi)核在發(fā)生核聚變反應(yīng),4個(gè)氫原子核通過(guò)核聚變反應(yīng)生成氦-4原子核,同時(shí)損失一部分質(zhì)量,這部分質(zhì)量以能量形式,或者我們說(shuō)是以電磁波的形式向外傳播。
在這個(gè)過(guò)程中,太陽(yáng)每秒要損失420萬(wàn)噸的質(zhì)量,這部分質(zhì)量都以能量的形式傳遞出去的,我們可以通過(guò)質(zhì)能等價(jià)公式E=mc^2來(lái)計(jì)算這個(gè)能量的大小,這是一個(gè)十分巨大的數(shù)字。
為了幫你理解這個(gè)數(shù)量級(jí)差異,就拿錢(qián)來(lái)做比喻。這相當(dāng)于太陽(yáng)每秒鐘要向太空扔掉70億,而被地球接收到的僅僅只有3萬(wàn)左右,而人類真的利用上的只不過(guò)3元而已。
這里補(bǔ)充一點(diǎn),太陽(yáng)是一個(gè)等離子體,因此,產(chǎn)生的光子要跑到太陽(yáng)表面大概需要14萬(wàn)年的時(shí)間。從太陽(yáng)表面達(dá)到地球,整個(gè)過(guò)程大概需要8分20秒的時(shí)間。
太陽(yáng)產(chǎn)生的光子在經(jīng)過(guò)太陽(yáng)和地球中間的這段路程時(shí),就像上述所說(shuō)的,因?yàn)樘帐挚諘?,所以并沒(méi)有受到什么阻擋,可以直接抵達(dá)地球。
由于地球是一個(gè)密度巨大的物體,分子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于太空,這些構(gòu)成地球的分子會(huì)吸收來(lái)自于太陽(yáng)的輻射,將其轉(zhuǎn)化為分子的熱運(yùn)動(dòng),當(dāng)分子的熱運(yùn)動(dòng)變得劇烈,地球的溫度也就開(kāi)始升高了。所以,地球能夠接收太陽(yáng)傳遞過(guò)來(lái)的熱量,最根本的原因就是地球的密度足夠大,構(gòu)成地球的分子數(shù)可以直接把太陽(yáng)輻射過(guò)來(lái)的光子接收到,并轉(zhuǎn)化為熱運(yùn)動(dòng)。