问题

太阳离地球这么远,为啥在中午能感觉到强烈的温度?

回答
咱们聊聊太阳,离咱地球可真够远的,差不多一亿五千万公里呢。可即便这么远,为啥中午的时候,那太阳光照在身上,就跟个大火炉似的,热得不行?这事儿细想还真挺有意思的。

首先得说,太阳本身就是个超级大的“核反应堆”。它内部持续进行着核聚变反应,把氢原子变成氦原子,释放出巨大的能量。这能量大部分是以电磁波的形式向四周辐射出去的,其中就包括我们能看见的光,还有看不见的红外线、紫外线等等。这些电磁波以光速穿越太空,用了大概八分多钟才到达地球。

那么,为什么这些能量传到这么远,还能让我们感觉到这么强烈的温度呢?这得从几个方面说起:

1. 太阳辐射的强大能量:

别看地球离太阳远,但太阳本身发出的能量实在是太充沛了。想象一下,如果你拿一个极其强大的探照灯,即使离你很远,它照过来的光线依然会非常强烈。太阳的能量输出,比我们人类能产生的任何能量都要宏大得多。它每时每刻都在向宇宙倾泻海量的能量,其中有相当一部分正好朝着地球这个方向来。

2. 太阳光谱的组成:

太阳辐射并不是单一的颜色或者一种能量。它包含了可见光、红外线、紫外线等多种波长的电磁波。我们感觉到的“热”,很大一部分就来自于太阳辐射中的红外线。红外线具有很强的热效应,当它被我们的皮肤吸收时,就会转化为热能,让我们感觉到温暖甚至灼热。

3. 地球大气的角色:

地球的大气层虽然能阻挡一部分有害的紫外线和宇宙射线,但对于可见光和红外线来说,大气层大部分是透明的。也就是说,太阳的大部分热量和光能够穿过大气层,直接照射到地表。

4. 中午时分日照角度:

这就是关键的“中午”了。在地球上,我们之所以在中午感觉最热,是因为这个时候太阳在天空中的位置最高,阳光照射到地面的角度最接近垂直。想想看,你用手电筒照在一个平面上,当手电筒垂直于平面时,光线的照射范围最小,但单位面积上的光照强度最大。反之,如果手电筒倾斜着照,光线就会分散开来,单位面积上的强度就会减弱。

中午,阳光穿过大气层的路径相对最短,大气对能量的吸收和散射也最少。因此,到达地表的太阳辐射能量也最集中、最强。太阳光线集中在一个小区域内,相当于把能量“聚焦”在了你身上,所以你会感觉到热量积聚得非常快。

5. 地表和空气的吸收与反射:

当太阳光照射到地面上时,地面(比如柏油马路、沙滩、皮肤)会吸收一部分能量,然后将这些能量转化为热量,加热地表。地表温度升高后,再通过对流和辐射的方式将热量传递给周围的空气。中午时分,地面接受到的能量最多,升温最快,然后又把这些热量源源不断地传递给空气,导致空气温度也随之升高。

所以,虽然太阳离我们远,但它是个不折不扣的能量巨头,它发出的电磁波携带了巨大的能量。加上中午时分阳光照射角度最直射,穿过大气层的损耗最小,到达地面后被地表吸收并加热空气,这些因素综合起来,就让我们在中午时分能享受到那份“热情如火”的温暖了。

有时候,如果你站在树荫下,虽然太阳依然高悬,但因为树叶遮挡,阳光的直接照射被削弱了,你就能明显感觉到温度的差异。这恰恰说明了,是太阳那“直来直往”的能量,直接加热了我们的身体和周围的环境,才有了那份强烈的温度感受。

网友意见

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我看了一下,大部分回答都没答到点子上。让我来写一篇枯燥的回答吧。

题主的问题可以简化成:行星表面温度与太阳距离的关系。(那个什么中午不中午的,就先忽略不讲了吧,主要是太阳入射角、穿过大气层路径等因素,下午2点最热主要是因为地面辐射的原因。这个不是这个问题的关键部分,就先略了)

不就是近热远冷么,这还用问?

直觉告诉我们,离太阳越远,行星越冷。大部分人都有烤火或暖气片的经历,很容易理解。那我们来看看各个行星(及一个矮行星)的表面温度:

看上去大部分都是按距离太阳从近到远、温度从高到低的顺序排的。但水星和金星是个例外。水星距离太阳大约是金星的一半,但却比金星的表面温度低很多。

怎么回事?

我们来推导一下。我们先假设行星从恒星吸收到的能量和其自身辐射散发能量是相等的(否则就不平衡了)。根据斯特藩-玻尔兹曼定律和这个那个一堆奇奇怪怪的公式,假设地球是个黑体,推导出行星的理论平衡温度T应满足(好吧,这是唯一一个公式,我保证不再写公式了):

两边约一下,就变成了:

上面那个带个脚标的L可以理解为太阳的亮度,a是行星反射率,D是与太阳的距离,其它都是常数不用管了。

通过初中数学知识可知,在假设行星反射率a不变的情况下,行星平衡温度T与跟太阳的距离D的开方成反比。

大概算一下,地球的平衡温度是-18摄氏度[1],但实际地球温度为15摄氏度[2]。虽然相差不多,但还是差了那么一点点。那这一点点到底是什么原因造成的呢?

行星大气

粗略的来看,这主要是由于大气的温室效应造成的[3]。在温室效应中,行星反射的长波辐射被大气吸收并重新射回到地面,导致表面温度高于平衡温度。上面提到的金星比水星还热就是这个原因,金星算出来的平衡温度约为-13℃,而实测金星厚重的二氧化碳大气层的云层顶部温度约为-50℃,但到了93个大气压的金星表面,温度已经高达450℃左右,比烤肉需要的200℃还高出许多。

可惜的是,温室效应很复杂很随机,就像天气预报一样无法有公式准确估算出具体的数值。大气环流、初始丰度与二氧化碳含量、轨道迁移、大陆的分布、自转轴的倾斜角度(我之前的一个回答里有写)、一天的长度和大气的密度等都会影响这个数值。一般来说,行星平衡温度要低于行星平均温度和地表空气温度。

而像火星这样只有极稀薄的大气的行星来说,数值就比较接近。火星的平衡温度为210K,表面平均温度为215K,相差极小。月球也是一样。

说到月球,就顺便提一下潮汐加热吧。当行星的卫星在行星表面产生潮汐时,也会使温度进一步升高。另外,地心的地热能也会导致实际温度比平衡温度更高。土星的实际温度约为95K,而算出来的平衡温度只有为63K,就是这个原因造成的。木星也有类似的现象,它的地热能让其实际的温度上升了40至152K[4]。天王星的实际温度和算出来的平衡温度就非常接近,说明天王星的内部已经几乎没有什么热能了。

回答题主的问题

讲了那么一大堆,终于可以回到正题了。

题主认为,1.5亿公里以外的太阳已经离我们很远很远了。事实确实如此。通过粗略的计算可知,由于地球距太阳很远,与太阳相比直径也很小,所以太阳辐射出的总能量是地球获得的20亿倍[5],或者说,地球只接收到了太阳能量的20亿分之一。这么小的比例,应该没有那么热才是。

但太阳远比人类的想象还要恐怖。1838年,法国物理学家克劳德·普耶和英国天文学家约翰·赫歇尔爵士第一次试图直接测定太阳常数,也就是想知道射到地球上的太阳光到底有多厉害。两人各自独立设计了不同的测定装置。他们都是尝试用温度计测量太阳光下一定量的水的升温过程,因为水的比热已知,通过计算就可以得出光照强度。由于他们都没有考虑地球大气对光的吸收,所以他们的测定值只有现在所用值 [6]的一半左右。粗略的换算一下,大概相当于一个12万流明[7][8]的灯泡。相比之下,好一点的家用投影仪也就几千流明吧,就已经亮瞎了。

所以,虽然太阳距离地球真的很远,但照到地球上依然感觉很热的原因,就是因为距离还是不够远,而太阳却相当强。

参考

  1. ^ σ取5.670373乘十的负八次方,反射率取0.29,d取1490亿米,L取3.846乘10的26次方瓦
  2. ^ 平衡温度要考虑到整个行星表面,包括赤道和两极
  3. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Planetary_equilibrium_temperature
  4. ^ https://zh.wikipedia.org/wiki/有效溫度
  5. ^ https://baike.baidu.com/item/太阳常数
  6. ^ 1981年,世界气象组织(WMO)公布
  7. ^ https://www.jvejournals.com/article/21667
  8. ^ Pons A., Barrio A., Campos J. Variation of the luminous efficacy of direct, global and diffuse solar radiation with atmospheric parameters. Lighting Research Technology, Vol. 36, Issue 1, 2004, p. 31-43

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