首先我們得糾正下一個觀念,太空中并不冷,冷和熱對于我人體衡量的指標(biāo)只有一個,即人體熱量產(chǎn)生于散失的比較,如果是盈余,那么感覺就會有點熱,如果是虧損,那么感覺就會有點冷,如果收支平衡,感覺是最舒適的!
人體熱量流失的方式有三個,傳導(dǎo)、對流和輻射,比如我們觸碰到冰冷物體會感覺冷,就是人體熱量傳導(dǎo)給了物體,對流則是空氣因人體熱量產(chǎn)生流動,加速人體表面體液蒸發(fā)而感覺冷,輻射則是高于絕對零度的物體都會向外界輻射。
太空在宏觀意義上我們可以認為沒有空氣,因此傳導(dǎo)和對流就不會發(fā)生了,物體在太空中唯一會發(fā)生的熱量散失方式是輻射,相對而言輻射不如傳導(dǎo)和對流來得迅速,因此從理論上看太空并不冷!但太空不冷并不足以解釋太陽光照到地球讓地球變熱,我們需要有別的理由來說明。
宏觀的溫度就是人體對冷和熱的感知,但從微觀角度來說它只是表示物體微觀粒子的運動劇烈程度!不過對于溫度的認知還是有一個歷史過程。
史上第一只能感知溫度變化的溫度計就出自伽利略之手,當(dāng)然它非常原始,只能作為參考!但對于熱來自哪里卻歷經(jīng)熱質(zhì)說和熱動說兩種,雙方各執(zhí)一詞,互不相讓。
1798年倫福德伯爵想英國皇家學(xué)會提出一個熱動說的報告,他在慕尼黑監(jiān)督炮筒鉆孔工作時注意到溫度的升高和鉆頭的摩擦存在直接關(guān)系,鋒利的鉆頭炮筒升溫慢,而磨鈍了的鉆頭炮筒升溫更快,這表明熱量來自物體之間的摩擦運動。
1827年英國植物學(xué)家R.布朗在觀測花粉在水溶液中不停的無規(guī)則運動,當(dāng)時布朗并不知道這具有什么含義。但此后科學(xué)界就開始試圖用分子的不規(guī)則運動來解釋布朗運動,但從數(shù)學(xué)層面上來描述布朗運動,還要等1905年愛因斯坦發(fā)表關(guān)于布朗運動的研究論文后才準確描述。
但分子運動論已經(jīng)逐漸開始占領(lǐng)科學(xué)界對溫度的認識,分子運動會有兩個宏觀表現(xiàn),一個是溫度,另一個則是壓力,這是分子運動對容器內(nèi)壁的碰撞壓力。能讓分子運動加劇的方式有很多種,比如摩擦,比如輻射等等。
在這里將會引出兩個概念,一個是分子不運動了,那就是絕對零度,另外一個就是分子最高速運動(光速),就是普朗克溫度,衡量溫度高低的標(biāo)準制定了,接下來可以討論太陽光為什么可以跨越宇宙溫暖地球了!
上文我們確認了是一個很簡單的道理,溫度的本質(zhì)是分子運動的劇烈程度,也就是說它需要物質(zhì)作為載體,因此形容一個沒有任何物質(zhì)的空間的溫度高低是不恰當(dāng)?shù)?,而太陽通過輻射將能量傳送到地球地球,但這需要有一個前提,太陽和地球之間沒有其他物質(zhì)能阻擋光輻射,而事實上太陽和地球之間的太空中存在大量的宇宙塵埃,比如我們在合適條件下看到的黃道光就是這樣這些塵埃的反光!
但這些塵埃總量并不大,輻射能讓這些塵埃的分子運動可達到極高,比如大氣層中有一個熱層,在500千米的高度上可以達到2000K,但只表示這些受激的大氣分子溫度而已,但此處大氣極其稀?。ū瓤臻g站運行的軌道還高100千米,高真空狀態(tài)),根本無法用宏觀的溫度來表示。
因此宇宙太陽和地球之間的遮擋的太陽輻射極其有限,大部分光輻射仍然到達了地球,大氣層和地面的吸收了這些能量,分子運動加劇,在我們看來就是溫度升高了。再宏觀的表現(xiàn)就是大氣受熱不均的流動形成大大氣環(huán)流,還有洋流運動,以及夏秋季節(jié)的臺風(fēng)等等,這一切都和太陽輻射活動有著非常密切的關(guān)系。但這里會有一個有趣的問題,既然地球一直在吸收太陽能,為什么它溫度不會一直升高呢?
這是因為大氣層和地面以不僅在吸收太陽輻射,還會以一定的比例反射回宇宙,而在夜間地面與海洋受熱之后則基本就是凈支出。而在當(dāng)前條件下,地球從太陽接收的太陽能和地球散失的能量基本都是持平的,因此地球溫度并不會無限上升,這一點各位完全不必擔(dān)心。
既然地球溫度不會無限上升,為什么地球會有溫室效應(yīng),溫度上升呢?
其實這就得聊聊這溫室效應(yīng)是怎么來的了,大氣圈和水汽本身就有溫室效應(yīng),加上地面和水體的保溫效果,在正常狀態(tài)下這個效應(yīng)是積極的,比如地球能維持平均15℃就是它們的功勞,而人類的活動排放的二氧化碳與其他溫室效應(yīng)氣體,會在大氣層中將地面向宇宙散失的紅外波段輻射給反射回來(二氧化碳允許可見光波段通過),就相當(dāng)于本來是一層薄被,結(jié)果現(xiàn)在又加了一層,地球不熱起來才怪呢!
最后我們還是聊聊太空中為什么還是會冷!
人和物體最大的區(qū)別是我們體內(nèi)含有大量的水分,因此在太空這種高真空環(huán)境下體表水分會沸騰大量蒸發(fā),當(dāng)然熱量就是被這些蒸發(fā)的水汽帶走的,而這就是冷的真正原因。