太陽表面溫度高達6500度,為何外太空還是冷的?

用戶110322627324 發佈 2020-08-05T20:48:05+00:00

太陽是我們太陽系絕對的核心,占據了太陽系總質量的99.86%,依靠著強大的引力吸引著系內各大行星、衛星和星際物質,有規律地圍繞著它運行。

太陽是我們太陽系絕對的核心,占據了太陽系總質量的99.86%,依靠著強大的引力吸引著系內各大行星、衛星和星際物質,有規律地圍繞著它運行。在一個恆星系統中,所有能量的產生和傳輸,從根源上看幾乎全部來自恆星的貢獻。比如我們地球上所有的自然資源、能源以及各種生物,都必須依賴於太陽光線的照射,否則也就沒有目前的大千世界。即使地球只接收到太陽總輻射量的22億分之一,對於我們來說也夠用了。

大家在看一些關於太空探索的紀錄片或者其它影像資料時,對於太空的廣袤和微重力環境肯定印象十分深刻,同時也應該會對太空中的溫度差異感到些許疑惑,比如太空飛船面向太陽的一面溫度可以達到100多攝氏度,而背向陽光的一面又低至零下100多度。不但如此,科學家們通過在宇宙空間中探測到的宇宙大爆炸後「殘餘」電磁輻射信息,也就是宇宙微波背景輻射,發現宇宙的背景溫度與絕對溫標2.725K的黑體輻射相同,說明宇宙的背景溫度僅有2.7K左右的水平,即零下270攝氏度,這麼低的溫度絕對超出我們的想像。那麼,既然宇宙中有那麼多的恆星,可以輻射出那麼多的能量,為何太空中的溫度還這麼低呢?

要解釋這個問題,得首先搞清楚溫度到底代表的是什麼。溫度從我們認知和易於感知的角度來看,就是代表的物體冷熱程度,而從分子熱力學的角度來看,溫度表達的是組成物體微觀粒子運動的劇烈程度。世間所有的物體,都是由分子或者原子等眾多微觀粒子所組成,而且這些微觀粒子每時每刻都在做著無規則的熱運動。如果我們將物體所在系統的溫度提升,則物體中微觀粒子的運動速率就越劇烈;反過來,當物體微觀粒子的熱運動越劇烈,也會使系統溫度提升。

從以上關於溫度的本質,我們可以看出,溫度是物體所攜帶能量多少的一個衡量標量,是人為定義的數值,其實質是組成微觀粒子熱運動的外在表現,是依賴於物質為載體表現出的一種客觀存在。

離開了物質,就談不上能量,更談不上溫度了

,這一點很重要。

溫度無論是從高到低,還是從低到高,只是發生了相應的變化,反映出物體內部的不同部位、或者不同的物體之間發生了能量的傳遞,接收能量的一方物體微觀粒子內能增加,熱運動變得劇烈,整體溫度就會提升,反之釋放能量的一方在沒有足夠的能量補充時整體溫度會降低。

宇宙中熱量的傳遞有三種方式,即熱傳導、熱對流和熱輻射,其中熱傳導和熱對流都需要一定的介質作為載體,比如熱傳導多以金屬等導熱性能好的固體為介質,熱對流主要以氣體和液體等流動性能好的物質作為介質,以這些介質組成的分子或者原子間能量的互相傳遞為主要傳輸途徑。而熱輻射是一種非常特殊的熱量傳遞方式,它不需要任何介質,即使在真空中也可以實現能量的傳遞,它不需要介質的原因,主要是因為這種熱量的傳遞,是以電磁波的形式進行的,宇宙中的物體無論溫度高低,都有將本身所具有的內能轉化為電磁波能量的能力。物體熱輻射能力的大小又與本身的溫度、釋放電磁波的波長有關,而且具有強烈的方向性。

我們在地球上能夠接收到太陽光的輻射能量,主要得益於太陽光這種電磁波在宇宙空間中的熱輻射傳遞過程,在從太陽到地球的過程中由於物質密度極其稀薄,所以能量的損耗很小。而在到達地球大氣層之後,物質密度一下子升高許多倍,無論是大氣層中的氣體分子還是照射到地表上的岩石、土壤,還是水流、生物,電磁波在接觸到這些物質之後,光線就會產生不同程度地被吸收或者被反射現象,即所攜帶的能量相應轉移成物質的分子內能,從而物體的溫度就會提升。

而在太空環境下,這種電磁波的能量轉化就非常微弱了,主要原因就在於宇宙空間的物質密度非常低,據科學家測算,宇宙的臨界密度大約為10^(-29)克/立方厘米的級別,相當於在大約1立方米的空間裡,只有1個氫原子的水平。而宇宙空間的實際平均物質密度,非常接近這個處於平坦宇宙與彎曲宇宙臨界點的臨界密度,所以,從太陽表面發出的電磁波,在穿過宇宙空間到達地球之間的這段路程中,受到的「阻礙」因素非常之少,即使存在的那些稀薄的星際氣體和塵埃,也不會引發足夠的分子熱運動,也就是說很大程度上失去了溫度存在的前提條件,所以在宇宙空間中即使拿著溫度計,也是無法測出準確溫度的。

綜上,我們可以看出,雖然太陽表面的溫度很高,但是它向外傳遞熱量的方式是通過熱輻射的形式進行的,不需要任何的介質,太空中非常稀薄的物質濃度,為太陽光這種電磁波的傳遞創造了良好的環境。正因為太空中星際物質異常稀薄,分子熱運動失去了物質來源來「規模效應」,因此無法將太陽光線所攜帶的能量轉化為分子的內能,這種情況就幾乎沒有分子熱運動的存在,不冷才怪呢!

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