虽然太阳温度高达6000℃,但热量是随着距离衰减的。
其次,有热量吸收,就会有热量流失。地球不会烤化,是因为正好处于热量平衡。
热量传递的传递方式,主要分成三种:
热传导:热传导依赖于物体的直接接触,而地球“悬浮”在真空中。
热对流:流体的流动带走热量,地球大气流失速度其实很缓慢。
热辐射:任何有温度的物体,都会通过电磁波辐射热量。
所以地球上的热量流失,前两者极低,主要通过热辐射向宇宙释放。
绝大多数人之所以能直观地知道太阳在源源不断释放热量,而感觉不到地球在释放热量,本质上是因为——可见光。
地球生命向阳而生,阳光的热量,总是让我们的眼睛最为敏感。
用眼睛捕捉阳光的温度,是绝大多数动物的本能。
但其实,宇宙中的温度跨度,从0K到亿亿亿K,我们眼睛所能看到的可见光段,仅仅只是很狭窄的区域。
可见光段,主要由数百K~1万多K物体所释放的电磁波。
在宇宙中,具有这个温度区间的主要物体,正是——恒星。
人类只能看到太阳的光谱,这一切,早已经被演化安排得明明白白。
虽然我们看不到地球在发光,但就像我们的身体在不断释放红外线一样,地球实质也在不断“发光”,主要向宇宙辐射红外线,释放自己的热量。
如果没有阳光,地球的温度将会很低很低。
地球内部的热量,主要来源有两种。
1、释放了46亿年,早期形成时,引力势能所转化的热能,占了20%。
2、地球内部存在铀-238、铀-235、钍-232和钾-40等,不停衰变放热,占80%。
地球内热的总功率为:4.42×10^13W
地球的表面积约为5.1亿平方公里,单位面积功率为:
0.866W/m2。
也即,如果没有太阳照射,地球单位面积将会以0.866W的功率缓慢释放热量。
热辐射通过斯特藩-玻尔兹曼定律进行计算。
j∗=εδΤ4
ε 为辐射系数,黑体为1,地球并非完全黑体,取值0.97
δ 为斯特藩-玻尔兹曼常量,取值 5.67×10−8W/m2·K4
Τ 为热力学温度
在极低温度下,地球上不会存在气态的大气,空气和水都会形成厚厚的冰层,形成雪球地球,没有了大气这个羽绒服,热量直接向宇宙中释放。地表大量冰层的存在,也是辐射系数取值为0.97的原因。
求得:
T=j∗/εδ4=63K
也即,如果没有太阳,地表的温度仅仅只有-210℃左右。
如果此时我们突然给地球加上太阳辐射会发生什么?
太阳常数为1367W/m2。
太阳常数——大气顶界垂直于太阳光线的单位面积每秒钟接受的太阳辐射。
此时阳光直接照射道地面,通过前面的辐射公式,我们可以求得,太阳直射面热平衡时温度高达:
397K
也即124℃,超过100℃了。
之所以温度不会继续上升,正是因为在这个温度下,地球向宇宙释放的热量就已经达到1367W/m2。没有更多的热量让它升温。
此时的地球其实就如同一个炼狱世界,不考虑自转时,一个半球的最高温度高达100多摄氏度,另一个半球的最低温度却低至零下200℃。
这个温度差和月球的状态,其实十分的相似。考虑到雪球地球对光的反射,其实温度还会更低。
然而随着温度的升高,固体的氧气和氮气再次气化成为大气层,地球穿上了一层厚厚的羽绒服。
同时还会融化成海洋,海水的高比热容,让他在白天吸收足够的热量,让地表不至于太热。晚上释放热量,让地表不至于太冷。再加上大气的流动,地球的转动,让地表昼夜温差缩小。
对于任何一个圆,横截面积是地表面积的1/4。
那么可得,在不考虑大气的时候,地表平均温度为:
280K
也即,仅仅只有7℃。
地球大气和海洋的存在,还会反射34%的阳光。
这样算出来,平均温度甚至低至253K。
也即,温度低至-20℃。
但地球的平均温度有14℃。
为什么计算温度会比实际温度低了足足34℃?多的热量哪里来的?
差异这么大,正是因为地球身上羽绒服的保暖作用。
多余的热量,本质上是地球辐射出去的热量,被大气吸收后,再次逆辐射回来。而且可以通过反复逆辐射,相对持久地保持热量。
夏日闷热天气,主要便是在于厚云层造成的大气逆辐射。
总之,地球就像一个穿着羽绒服,在冬天烤火的人。
他有着自己的体温(地热),但这点热量相对于绝对零度,实在是太少了。
所以他还需要烤火(太阳辐射),如果直接这样烤火,被烤的一面温度会太高,没烤到的一面温度会太低。
所以他不停地旋转分摊热量,然后还穿上了一件厚厚的羽绒服(大气)。
这件羽绒服对于地球今天的热平衡,可谓是功不可没。
地球一直在吸收太阳能,之所以还会能量守恒,本质就是地球也和太阳一样在不断辐射热量。其它的各方面原因,则是决定了具体平衡温度的位置。
太阳传到地球上的是类似于能量的东西,不是热量,不信你光着屁股去太空转一圈。零下几百度呢[得瑟]