为什么太阳光到达地球能感觉到光和热,而太阳光经过的宇宙太空却是黑暗和寒冷的?
对于为什么太阳光到达地球能感觉到光和热,而太阳光经过的宇宙太空却是黑暗和寒冷的呢之话题,我个人观点认为,
太阳光到达地球时,人体能感觉到光和热的现象,是由于地球和人体都是属于实体物质,具有对阳光的聚光性和聚热性物理现象,因而,人体会感觉到太阳的光和热。
而至于太阳的光经过的宇宙太空却是黑暗和寒冷的问题,先来明确一点,太阳光在太阳系空间范围内是光亮的自然现象,而不是黑暗的。关于太空寒冷的问题,主要原因是太空间是真空状态,太空气体不具备聚光性和聚热性,况且在太空真空状态的环境中,太阳光子群都具有高速度穿透性的游离状态,没有把光能转变为热能现象在太空中发生,因而,太阳系太空中的温度环境都一直是处于寒冷的自然状态。
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为什么太阳光到达地球能感觉到光和热,而太阳光经过的宇宙太空却是黑暗和寒冷的?
太空里基本上啥都没有,靠什么来感受到温度?靠每立方厘米的那几颗原子吗?肯定不行,温度是大量的原子、分子热运动的集体表现,有着统计意义,你这几颗原子算是怎么回事。就好像地球的热层一样,虽然粒子运动的非常剧烈,导致温度很高,但如果人置身于那种环境中的话,还是会被冻死。
太空中几近真空,永远都是正对着太阳一面酷热,背对着太阳一面严寒。在哪个星球上都是如此,地球即便有大气层保温,白天黑夜也得相差个七八度总要有的吧。
而在没有大气层的月球上,白天零上一百多摄氏度,黑夜零下一百多摄氏度,截然相反。
太阳传递光与热是靠电磁辐射的方式,光也是一种电磁波,在量子力学中,用光量子来描述传递的那一份份能量,即E=hv,所以,我们能够感受到热量,是因为周围的环境气体分子或者是你的皮肤直接吸收了光量子的能量,所以,我们才得以感受到热。
在太空中,几乎啥都没有,因此没有环境温度这一说。而黑暗的原因也正是因为如此。
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予人玫瑰,手有余香!
为什么太阳光到达地球能感觉到光和热,而太阳光经过的宇宙太空却是黑暗和寒冷的?
这个问题已经说过多次了,既然大家感兴趣,就再简单说一下。首先我们要知道热是怎么来的。我们之所以感觉到热,是因为有温度存在,而温度则是分子运动的结果。分子密度越大,运动的越激烈,温度就越高;反之分子密度小或者运动的不激烈,温度就低。
要使分子运动激烈,就需要能量交换。而太阳电磁辐射就是能量的来源。
太阳巨大的能量是以电磁辐射方式传递的,电磁辐射说穿了就是光的一种表现形式,是可见光和不可见光的组合。我们人眼可见光在电磁辐射中占有一个很小的波段,在380nm~780nm之间,而高频和低频段的光是人眼看不见的,以无线电波、微波、红外线、紫外线、X射线、伽马射线等方式传播。
电磁辐射是以光子为载体,光和电磁辐射传播都无需介质,在真空中更快。
电磁辐射带着的能量到了地球,就与地球物质,首先是大气分子进行交换,使这些粒子运动而产生热量,体现出来的就是温度。
地表大气密度达到0.00129克/立方厘米,一个立方厘米有2.7x10^19个气体分子(约2700亿亿个),这些气体分子与太阳辐射交换和储存着能量,就使人感到温暖和热度。而到了高空,空气分子就很稀薄了。地球大气层在400多公里的高空叫做热层,那里的粒子温度可以达到一两千度,可如果拿温度计去测量却感到异常的寒冷,那里的飞船(国际空间站)在对着太阳的舱外温度可以达到121度(摄氏度,后同),而在背阴处,气温下降到-157度。
这说明空间温度是极低的,空间站向阳一面高温是太阳能量作用于舱壁的结果。所以在这种环境下,粒子达到可以炼钢炼铁的温度,但这种稀薄的粒子撞击,要把1克水提升1度温度要几十个小时。这也是在地球上越高的地方越寒冷的缘故,主要就是越高空气越稀薄,所能承载的能量就越少。比如到了珠穆朗玛峰顶,空气密度只有海平面约30%,所以温度就很低了。
而在距离地表1000公里的高空,空气密度只有地表密度的1亿亿分之一,一个立方厘米还有2700个气体分子了,但那里的温度会降到-200度。
越到远离天体的太空,粒子就会越来越少,到了太空深处每个立方厘米只有几个粒子了,甚至一个立方米也就1到几个粒子,所以那里的温度会越来越接近绝对零度。
这样太阳电磁辐射就在太空畅通无阻,损失也就很小了,一直到达地球,与地球空气分子接触,这种能量才以热量的方式显示出来。太阳在太空真空中传播,并不是黑暗的,乘坐宇宙飞船或者在空间站工作的宇航员都可以看到明媚的阳光。但在太空由于没有空气的反射折射和衍射,就不会在空间留下很多明亮的光芒,只有照射到物体,或者人眼对着太阳看时才能够看到。
太空中还可以看到漫天的繁星,这些都是遥远的恒星传递过来的光线,因为没有空气衍射折射散射,虽然看起来更清晰很明亮,但却不会闪烁,就是一个个单调不动的亮点,镶嵌在漆黑的背景上。
就是这样,欢迎讨论。
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为什么太阳光到达地球能感觉到光和热,而太阳光经过的宇宙太空却是黑暗和寒冷的?
为什么鸟🦜可以在天上飞,鱼🐟可以在池中游?这是因为有空气和水。如果鸟和鱼是物理对象的话,那么空气和水就分别是它们的物理背景。
自然界是一个有机系统,其中的各种不同的事物都是相互联系和相互依赖的,不存在绝对独立的物体。那么地球🌍与太阳🌞是如何联系与相互作用的呢?
由于所有的微观粒子都具有波动性,由于普朗克常数h的普遍存在,由于非接触的远程作用力——引力及电力的存在,说明在我们的宇宙中,存在着统一的物理背景即存在着物理空间。
而且,该空间是不连续的,是由宇宙中不可再分的最小粒子——量子构成的。普朗克常数h的量纲是粒子的角动量,具有不变性,说明量子与普通的粒子一样,其质量和体积都是大于零的。
又由于原子的体积是由电子高速运动所形成的封闭体系,其中的绝大部分空间是由量子充满的空间。
由此,我们获得了一个有机的量子宇宙观:
离散的基态量子构成空间,受到激发的量子成为光子属于能量的范畴,由高能量子组成的封闭体系就是物质。
于是,能量是关于粒子运动能力的度量,最小单位的能量是关于量子运动能力的度量;质量是被封闭的粒子关于其空间效应的度量。
如果我们把量子空间比作大海的话,那么地球和太阳就是漂浮在海水🌊中的两艘小船🚣♀️。这一海水的温度就是宇宙的微波背景辐射☢️温度。根据测量,其具体的数值是绝对温度2.7k,相当于摄氏零下270.45度。所以,太空是非常寒冷的。
然而,任何物体的封闭性都是小于1的,太阳也不例外。由于太阳的巨大质量,使其内部发生核聚变反应,由4个氢原子聚合成一个氦原子。在聚合的过程中,会有百分之0.7的质量转化为能量,即由封闭的量子转变为离散的高能量子——光子。
于是,作为受到激发的量子,具有较大概率的隧道效应,可以部分地从作为封闭体系的太阳中逃逸出来,借用物理上的说法,就是太阳辐射光子。
我们都知道阳光到地球所需的时间⌚️约为8分钟,但却不一定知道,核聚变所产生的光子要经过上百万年的时间,才有机会挣脱太阳的束缚,逃逸出来。
不同能量的激发量子,具有不同的频率。实际上,太阳辐射出来的激发量子的能量是大小不一的。可见光只是其中很窄的一小段频率范围的光子。不过,其在阳光中却占有很大的比例。之所以使该频率段的光子成为可见光,是因为我们人体的视觉细胞长期进化🧬的结果。
可见光本质上也是粒子,是宇宙中最小的粒子,因而其属于能量的范畴,也是有温度的。由可见光的频率换算出的等效温度,约为几十摄氏度。
当光子对空气中的气体分子和我们人体相碰撞💥时,使作为激发量子的光子又重新回归为基态量子,成为量子空间的一部分。
与此同时,光子将其因受到激发而获得的能量传递给了空气和人体,表现为气体分子和人体分子动能的增加。由此,使空气和体感温度上升。
由于量子的体积非常细小,光子与空间量子碰撞的概率很低,而且两者的能量相差近千倍。所以,光子与空间量子因碰撞而产生的能量转化率是非常低的,进而使量子空间吸收🧽光能的概率远远低于空气和我们人体吸收光能的概率。这就是为什么地球上的温度远高于太空温度的原因。
为什么太阳光到达地球能感觉到光和热,而太阳光经过的宇宙太空却是黑暗和寒冷的?
这个问题的答案就在题目中,就是因为宇宙“太空”了
宇宙中几乎就是真空的,没有承载温度的物质,太阳光真的只是“经过”太空而已,没有什么“损耗”直接来到我们的地球。部分穿过大气,部分被反射走,进入大气的照射到地面,再次被反射的大气中,就这样光在和大气、地面等各种“障碍物”之间的碰撞中让我们感受到了温暖。当然了太空中的黑暗也是跟宇宙的真空有一部分关系,没有反射光就是路过而已,没有反射自然照不亮。还有另外一个重要的原因就是宇宙空间太大了,太阳还不足以点亮太阳系的整个空间。
但是当在太空中遮挡住了阳光的路线,依然会被加热例如那些没有大气的天体,如月球或者火星等,有阳光直射的时候温度可高到上百摄氏度,没有阳光的时候可以低到零下百摄氏度。例如假如你拿个温度计去太空中,阳光会把它晒爆。
一般来讲热传递有三种形式:传导、对流和辐射。但是太空中没有物质,就没有热的传导和热对流,即使有电磁波的热辐射但是没有物质太空也并不会加热。而我们地球的温度就是太阳光以热辐射的方式经过宇宙空间而来。太空虽然印象中是黑暗的冰冷的,但是当探测器进入太空的时候也需要面对太阳直射时的高温和没被太阳直射时候的低温。
图片来源网络侵删。这里是科学黑洞,欢迎你的关注与点评。为什么太阳光到达地球能感觉到光和热,而太阳光经过的宇宙太空却是黑暗和寒冷的?
首先我们得纠正下一个观念,太空中并不冷,冷和热对于我人体衡量的指标只有一个,即人体热量产生于散失的比较,如果是盈余,那么感觉就会有点热,如果是亏损,那么感觉就会有点冷,如果收支平衡,感觉是最舒适的!
人体热量流失的方式有三个,传导、对流和辐射,比如我们触碰到冰冷物体会感觉冷,就是人体热量传导给了物体,对流则是空气因人体热量产生流动,加速人体表面体液蒸发而感觉冷,辐射则是高于绝对零度的物体都会向外界辐射。
太空在宏观意义上我们可以认为没有空气,因此传导和对流就不会发生了,物体在太空中唯一会发生的热量散失方式是辐射,相对而言辐射不如传导和对流来得迅速,因此从理论上看太空并不冷!但太空不冷并不足以解释太阳光照到地球让地球变热,我们需要有别的理由来说明。
温度的本质是什么?宏观的温度就是人体对冷和热的感知,但从微观角度来说它只是表示物体微观粒子的运动剧烈程度!不过对于温度的认知还是有一个历史过程。
史上第一只能感知温度变化的温度计就出自伽利略之手,当然它非常原始,只能作为参考!但对于热来自哪里却历经热质说和热动说两种,双方各执一词,互不相让。
伽利略的温度计
1798年伦福德伯爵想英国皇家学会提出一个热动说的报告,他在慕尼黑监督炮筒钻孔工作时注意到温度的升高和钻头的摩擦存在直接关系,锋利的钻头炮筒升温慢,而磨钝了的钻头炮筒升温更快,这表明热量来自物体之间的摩擦运动。
1827年英国植物学家R.布朗在观测花粉在水溶液中不停的无规则运动,当时布朗并不知道这具有什么含义。但此后科学界就开始试图用分子的不规则运动来解释布朗运动,但从数学层面上来描述布朗运动,还要等1905年爱因斯坦发表关于布朗运动的研究论文后才准确描述。
但分子运动论已经逐渐开始占领科学界对温度的认识,分子运动会有两个宏观表现,一个是温度,另一个则是压力,这是分子运动对容器内壁的碰撞压力。能让分子运动加剧的方式有很多种,比如摩擦,比如辐射等等。
在这里将会引出两个概念,一个是分子不运动了,那就是绝对零度,另外一个就是分子最高速运动(光速),就是普朗克温度,衡量温度高低的标准制定了,接下来可以讨论太阳光为什么可以跨越宇宙温暖地球了!
阳光照到地球为什么会变热?上文我们确认了是一个很简单的道理,温度的本质是分子运动的剧烈程度,也就是说它需要物质作为载体,因此形容一个没有任何物质的空间的温度高低是不恰当的,而太阳通过辐射将能量传送到地球地球,但这需要有一个前提,太阳和地球之间没有其他物质能阻挡光辐射,而事实上太阳和地球之间的太空中存在大量的宇宙尘埃,比如我们在合适条件下看到的黄道光就是这样这些尘埃的反光!
黄道光
但这些尘埃总量并不大,辐射能让这些尘埃的分子运动可达到极高,比如大气层中有一个热层,在500千米的高度上可以达到2000K,但只表示这些受激的大气分子温度而已,但此处大气极其稀薄(比空间站运行的轨道还高100千米,高真空状态),根本无法用宏观的温度来表示。
因此宇宙太阳和地球之间的遮挡的太阳辐射极其有限,大部分光辐射仍然到达了地球,大气层和地面的吸收了这些能量,分子运动加剧,在我们看来就是温度升高了。再宏观的表现就是大气受热不均的流动形成大大气环流,还有洋流运动,以及夏秋季节的台风等等,这一切都和太阳辐射活动有着非常密切的关系。但这里会有一个有趣的问题,既然地球一直在吸收太阳能,为什么它温度不会一直升高呢?
这是因为大气层和地面以不仅在吸收太阳辐射,还会以一定的比例反射回宇宙,而在夜间地面与海洋受热之后则基本就是净支出。而在当前条件下,地球从太阳接收的太阳能和地球散失的能量基本都是持平的,因此地球温度并不会无限上升,这一点各位完全不必担心。
- 既然地球温度不会无限上升,为什么地球会有温室效应,温度上升呢?
其实这就得聊聊这温室效应是怎么来的了,大气圈和水汽本身就有温室效应,加上地面和水体的保温效果,在正常状态下这个效应是积极的,比如地球能维持平均15℃就是它们的功劳,而人类的活动排放的二氧化碳与其他温室效应气体,会在大气层中将地面向宇宙散失的红外波段辐射给反射回来(二氧化碳允许可见光波段通过),就相当于本来是一层薄被,结果现在又加了一层,地球不热起来才怪呢!
- 最后我们还是聊聊太空中为什么还是会冷!
人和物体最大的区别是我们体内含有大量的水分,因此在太空这种高真空环境下体表水分会沸腾大量蒸发,当然热量就是被这些蒸发的水汽带走的,而这就是冷的真正原因。
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