Содержание
Почему космос такой холодный, если звезды такие горячие?
Казалось бы, простой и даже наивный вопрос: почему космос такой холодный, если звезды такие горячие? На деле ответ не так прост, как может показаться на первый взгляд. Мы объясним этот физический процесс понятным языком.
Почему космос не согревается звездами. Изображение: Unsplash
В отличие от нашей комфортной среды обитания на Земле, Солнечная система полна экстремальных температур. Солнце представляет собой раскаленный газовый шар с температурой поверхности 5500°C, а в ядре — до 1,5 млн градусов. Между тем, температура космоса, если удалиться на достаточное расстояние от Солнца, окажется чуть выше абсолютного нуля — примерно -270,6°C. Как такое может быть?
Теплопроводность на планетах
Тепло распространяется через космос в виде излучения — инфракрасной волны энергии, которая переходит от более горячих объектов к более холодным. Волны излучения возбуждают молекулы, с которыми они соприкасаются, вызывая их нагрев. Именно так тепло передается от Солнца к Земле. Но загвоздка в том, что излучение нагревает только те молекулы и материю, которые находятся прямо на его пути. Все остальное остается холодным.
Возьмем Меркурий. По данным NASA, ночная температура на этой планете может быть на 500°C ниже, чем на дневной стороне, подверженной радиационному воздействию. Сравните это с Землей, где воздух вокруг вас остается теплым, даже если вы находитесь в тени. Это потому, что тепло распространяется по нашей планете тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.
Когда солнечное излучение попадает и нагревает молекулы в нашей атмосфере, они передают эту дополнительную энергию молекулам вокруг себя. Затем эти молекулы сталкиваются со своими соседями и нагревают их. Этот перенос тепла от молекулы к молекуле называется теплопроводностью, и это цепная реакция, которая нагревает области за пределами пути солнечного излучения.
Передача тепла в космическом вакууме
Космическое пространство представляет собой вакуум. То есть, очень разреженная среда, практически полностью пустая. Космический вакуум не является действительно совершенным, и в межзвездном пространстве есть несколько атомов водорода на кубический сантиметр. Молекулы газа в космосе находятся далеко друг от друга, чтобы регулярно сталкиваться. Таким образом, даже когда солнце нагревает их инфракрасными волнами, передача тепла посредством теплопроводности невозможна. Точно так же конвекция — форма теплопередачи, которая происходит в присутствии силы тяжести — важна для рассеивания тепла по Земле, но в космосе не происходит из-за невесомости. Поэтому единственным способом передачи энергии от Солнца к Земле остается излучение.
Когда инженер-теплотехник проекта NASA DART Элизабет Абель разрабатывала солнечный зонд Parker, она лично столкнулась с проблемой нагрева космических аппаратов в космосе при непосредственной близости к Солнцу.
Parker уже установил рекорды минимального сближения с нашим светилом, а также как самый быстрый объект, когда-либо созданный человеком. От разрушительной температуры Солнца аппарат спасает тепловой экран, который установлен лишь с одной стороны, и этого оказалось достаточно.
«Задача этого экрана — обеспечить защиту от перегрева экстремальной температурой солнечного излучения. В то время, когда защита раскаляется свыше 1000°C, остальная часть корпуса зонда, которая находится в тени, остается холодной и составляет -150 градусов», — объясняет Элизабет Абель.
Экстремальные перепады температур на сотни градусов могут показаться невероятными, но в космосе все обстоит именно так. Настоящая странность для космоса — это Земля: среди сильнейшего холода и жары наша атмосфера сохраняет удивительную мягкость, что позволяет поддерживать жизнь в комфортных для нее условиях.
Напомним, что ранее мы составляли список из ТОП-7 загадок Вселенной.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.
me/ustmagazine
загадки Звезды Космоc Солнечная система Солнце
Почему в космосе холодно, если Солнце горячее
Солнце находится на расстоянии около 150 миллионов километров от Земли, но мы можем чувствовать его тепло каждый день. Удивительно, как горящий объект издалека может излучать тепло на таком большом расстоянии.
Мы не говорим о температурах, которые едва регистрируют его присутствие. В 2019 году температура в Кувейте достигла 63 ° C под прямыми солнечными лучами. Если вы будете стоять при таких температурах в течение длительного периода, вы рискуете умереть от теплового удара.
Но больше всего озадачивает то, что космическое пространство остается холодным. Итак, почему пространство такое холодное, если Солнце такое жаркое?
Чтобы понять это удивительное явление, важно сначала распознать разницу между двумя терминами, которые часто используются взаимозаменяемо: тепло и температура.
Роль тепла и температуры
Проще говоря, тепло — это энергия, хранящаяся внутри объекта, в то время как тепло или холодность этого объекта измеряется температурой.
Таким образом, когда тепло передается объекту, его температура повышается. И происходит снижение значения температуры, когда тепло извлекается из объекта.
Эта передача тепла может происходить через три режима: проводимость, конвекция и излучение.
Теплопередача через проводимость происходит в твердых телах. Когда твердые частицы нагреваются, они начинают вибрировать и сталкиваться друг с другом, передавая тепло при этом от более горячих частиц к более холодным.
Теплопередача через конвекцию — явление, наблюдаемое в жидкостях и газах. Этот режим теплопередачи также происходит на поверхности между твердыми телами и жидкостями.
Когда жидкость нагревается, молекулы поднимаются вверх и переносят тепловую энергию вместе с ними. Комнатный обогреватель — лучший пример, демонстрирующий конвективный теплообмен.
Когда обогреватель нагревает окружающий воздух, температура воздуха будет повышаться, и воздух поднимется до верха комнаты. Присутствующий сверху холодный воздух вынужден двигаться вниз и нагреваться, создавая конвекционный ток.
Передача тепла посредством излучения — это процесс, при котором объект выделяет тепло в форме света. Все материалы излучают некоторое количество тепловой энергии в зависимости от их температуры.
При комнатной температуре все объекты, включая нас, людей, излучают тепло в виде инфракрасных волн. Из-за излучения тепловизионные камеры могут обнаруживать объекты даже ночью.
Чем горячее объект, тем больше он будет излучать. Солнце является отличным примером теплового излучения, которое переносит тепло через солнечную систему.
Теперь, когда вы знаете разницу между теплом и температурой, мы очень близки к тому, чтобы ответить на вопрос, поставленный в заголовке этой статьи.
Теперь мы знаем, что температура может влиять только на материю. Однако в космосе недостаточно частиц, и это почти полный вакуум и бесконечное пространство.
Это означает, что передача тепла неэффективна. Невозможно передать тепло посредством проводимости или конвекции.
Излучение остается единственной возможностью.
Когда солнечное тепло в форме излучения падает на объект, атомы, составляющие объект, начинают поглощать энергию. Эта энергия начинает двигаться атомы вибрировать и заставлять их производить в процессе тепло.
Однако с этим явлением происходит нечто интересное. Поскольку нет возможности проводить тепло, температура объектов в пространстве будет оставаться неизменной в течение длительного времени.
Горячие предметы остаются горячими, а холодные остаются холодными.
Но когда солнечные лучи попадают в земную атмосферу, появляется много материи для возбуждения. Следовательно, мы чувствуем излучение солнца как тепло.
Это естественно вызывает вопрос: Что произойдет, если мы поместим что-то вне атмосферы Земли?
Космическое пространство может с легкостью заморозить или сжечь вас
Когда объект находится за пределами земной атмосферы и при прямом солнечном свете, она будет нагрета до около 120°C. Объекты вокруг Земли, и в космическом пространстве, которые не получают прямых солнечных лучей находятся в пределах 10°C.
Температура 10°C обусловлена нагревом некоторых молекул, покидающих земную атмосферу. Однако если мы измерим температуру пустого пространства между небесными телами в космосе, это будет всего на 3 Кельвина выше абсолютного нуля.
Итак, главный вывод здесь заключается в том, что температуру Солнца можно почувствовать только в том случае, если есть материя, чтобы поглотить ее, в космосе почти нет материи, отсюда и холод.
Две стороны солнечного тепла
Мы знаем, что в затененных областях холодно. Лучшим примером является ночное время, когда температура снижается, так как в этой части Земли нет излучения.
Однако в космосе все немного по-другому. Да, объекты, которые скрыты от солнечного излучения, будут холоднее, чем пятна, которые получают солнечный свет, но разница довольно существенная.
Объект в космосе столкнется с двумя экстремальными температурами с двух сторон.
Давайте возьмем для примера Луну. Области, которые получают солнечный свет, нагреваются до 127 °C, а темная сторона Луны будет при температуре замерзания -173 °C.
Но почему земля не имеет таких же эффектов? Благодаря нашей атмосфере инфракрасные волны от солнца отражаются, и те, которые входят в атмосферу Земли, равномерно распределены.
Вот почему мы чувствуем постепенное изменение температуры, а не крайнюю жару или холод.
Другим примером, показывающим полярность температуры в космосе, является влияние солнца на солнечный зонд Parker. Солнечный зонд Parker — это программа НАСА, где зонд был отправлен в космос для изучения Солнца.
Солнечный зонд «Паркер»
В апреле 2019 года зонд находился всего в 15 миллионах миль от Солнца. Чтобы защитить себя, он использовал теплозащитный экран.
Температура теплового экрана, когда он был бомбардирован солнечным излучением, составляла 121 °C, в то время как остальная часть зонда имела -150°C.
Космос — это лучший термос
Когда нагревать нечего, температура системы остается прежней. Это относится и к космосу. Солнечное излучение может проходить через него, но нет молекул или атомов, чтобы поглотить это тепло.
Даже когда скала нагревается выше 100°C излучением Солнца, пространство вокруг нее не будет поглощать никакой температуры по той же причине. Когда нет материи, передача температуры не происходит.
Следовательно, даже когда солнце излучает, пространство остается холодным как лед!
Как тепло передается от Солнца к Земле?
Солнце является основным источником энергии для планеты Земля, но как тепло передается от солнца к земле ?
В этой статье вы узнаете о процессах, которые облегчают передачу тепла от солнца до тех пор, пока вы не почувствуете его на своей коже в солнечный день.
Солнце представляет собой раскаленный шар, состоящий в основном из водорода и гелия, находящийся на расстоянии 93 миллионов миль.
Солнце излучает энергию с помощью электромагнитных волн, которые быстро распространяются в пространстве. Это основной способ передачи тепла от солнца к земле.
Поскольку Земля не находится в прямом контакте с Солнцем , ее энергия должна пройти через космический вакуум, чтобы достичь этой планеты.
Это возможно, потому что энергия движется с очень высокой скоростью в виде электромагнитного излучения прямо до тех пор, пока не столкнется с чем-то.
После того, как электромагнитные волны проходят через космический вакуум , они отражаются от молекул газа в атмосфере и в конечном итоге нагревают планету.
Следует отметить, что этот способ теплопередачи невозможен, когда что-то экранирует источник тепла.
Температура Земли остается в обитаемом диапазоне от 29,6 до 35,6 градусов по Фаренгейту (88 и 96 градусов по Фаренгейту).
Это связано с тем, что планета поглощает только необходимое количество и тип солнечной радиации для поддержания этого температурного диапазона.
Видимый свет
Большая часть солнечного света представляет собой видимый свет, создаваемый фотонами с различными длинами волн, попадающими в атмосферу9.0007
Спектр видимого света варьируется от самых длинных волн 740 нанометров до около 400 нм .
Приборы могут обнаруживать свет на всех длинах волн, кроме видимого спектра, но не только нашими глазами.
Видимый свет и тепло
В большинстве случаев солнечный свет представляет собой смесь красного, оранжевого, желтого, зеленого, синего и фиолетового цветов.
Видимый свет также составляет примерно половину энергии, достигающей Земли. Видимый свет проходит через атмосферу Земли.
Температура на поверхности Солнца составляет около 6000 градусов по Цельсию .
Энергия Солнца преобразуется в тепловую энергию на поверхности Земли, обычно называемую теплом.
Тепло – это форма энергии, возникающая при вибрации материи в форме молекул.
Примечание: Свет также попадает в нашу атмосферу и отражается обратно в космос или отражается прямо обратно на Землю облаками, снегом и другими объектами.
Длины волн ближнего видимого диапазона
Три типа энергии достигают Земли от солнца в дополнение к видимому свету: ультрафиолетовое излучение, инфракрасное излучение и радиоволны.
Ультрафиолетовый (УФ) свет и инфракрасное излучение (ИК, другое название теплового излучения) отличаются тем, что являются электромагнитными, а другие термодинамическими.
Ультрафиолетовое излучение, электромагнитное излучение с длиной волны короче, чем у видимого света, излучаемое Солнцем.
Помимо инфракрасного излучения, это форма излучения с большей длиной волны, чем у видимого света.
Опасность УФ-энергии
Длины волн ультрафиолетового и инфракрасного излучения находятся за пределами человеческого зрения и восприятия.
Ультрафиолетовый свет имеет короткую длину волны. Инфракрасный диапазон имеет большую длину волны; оба потенциально могут быть вредными для организмов, которые их чувствуют.
Из-за своей короткой длины волны ультрафиолетовый свет может быть опасным для кожи человека поскольку он может разрушать химические связи.
Большая доза УФ-излучения вызывает повреждение кожи, включая ожоги и рак.
Инфракрасное излучение и тепло
Инфракрасное излучение имеет большую длину волны, чем видимый свет, и иногда имеет более низкую частоту, чем волны видимого света.
Его длина волны ниже красной, зеленой и синей длин волн видимого света.
Инфракрасное излучение также испускается всеми объектами с температурой выше абсолютного нуля.
Факт: Инфракрасное излучение можно ощущать как тепловую энергию или тепло, которое поглощает ваша кожа.
Энергия на Земле
1. Поглощение
Следующим шагом в понимании того, как тепло передается от солнца к земле, является понимание поглощения.
В то время как огромное количество солнечной энергии падает на поверхность Земли каждую секунду, часть этой энергии отражается в космосе.
Атмосфера поглощает около 20 процентов солнечного излучения , которое затем переизлучается обратно в космос в виде инфракрасного излучения.
Кислород, водяной пар и озон поглощают ультрафиолетовое излучение.
2. Поглощение атмосферой
Водяной пар и двуокись углерода в тропосфере поглощают часть инфракрасного излучения Солнца.
Свет в видимом спектре отражается от объектов при попадании на них. Чтобы быть поглощенным, он должен сначала преобразоваться в инфракрасное излучение .
Примечание: Видимый свет проходит сквозь атмосферу, не поглощаясь.
3. Перенос тепловой энергии
Важно помнить, что существует три вида передачи тепловой энергии — излучение, проводимость и конвекция.
Все три происходят в атмосфере.
Хотя тепловая энергия передается в атмосферу разными путями, происходят два вида процессов.
Безусловно, основной функцией является конвекция, поскольку воздух вблизи поверхности Земли поднимается и опускается в соответствии с суточными и сезонными циклами погоды.
4. Проводимость
По мере повышения температуры объекта его молекулы движутся быстрее.
Когда они сталкиваются с объектом с более низкой температурой, они могут передавать свою кинетическую энергию другому объекту. Это называется теплопроводностью .
Теплопроводность – это форма теплопередачи, при которой тепловая энергия передается от одного атома или молекулы к другому посредством прямого контакта.
Атмосферная проводимость солнечного тепла возникает, когда атмосфера соприкасается с Землей.
Факт: Если вы коснетесь поверхности кастрюли с кипящей водой, тепловая энергия пройдет через кастрюлю и попадет в вашу руку.
5. Конвекция
Когда нагретый воздух в нижних слоях атмосферы поднимается вверх (поскольку он менее плотный), он оставляет за собой более холодный воздух, который опускается, чтобы заполнить пространство, оставленное поднимающимся нагретым воздухом.
Это движение молекул воздуха в сочетании с улавливанием дополнительной энергии солнечного излучения на больших высотах приводит в движение схемы атмосферной циркуляции.
Это связано с явлением, называемым «конвекцией», и очень важным для того, как тепло передается от солнца к земле.
Конвекция – это движение теплого воздуха вверх, перенося с собой тепло и тепловую энергию.
6. Тепловая конвекция и циркуляция воздуха
В результате плотность земного воздуха уменьшается, в результате чего менее плотные воздушные массы поднимаются и передают тепловую энергию на большие высоты.
Конвекция — это бесконечный цикл , помогающий распределять и перераспределять солнечное тепло в атмосфере.
Факт: Циркуляция воздуха создает различные погодные и климатические условия в мире.
7. Скрытое тепло
Вода покрывает большую часть поверхности планеты, это единственное вещество, способное существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях здесь, на Земле.
Благодаря своим химическим свойствам он играет важную роль в нашем мире.
Большая часть солнечной тепловой энергии, достигающей земли, хранится в воде. Скрытая теплота – это количество энергии, необходимое для перехода единицы воды из одной фазы в другую.
Например, , когда вода переходит из твердого состояния в жидкое, поглощается или выделяется определенная энергия — эта поглощенная энергия представляет собой скрытую теплоту.
Тепличный эффект
Стекло теплицы преобразует солнечный свет в инфракрасную энергию.
Он прозрачен для видимого света, но он бесцветный или зеленый, чтобы пропускать ближний инфракрасный свет и достигать растений внутри.
ИК обогревает внутреннюю часть теплицы.
Солнечное тепло и парниковые газы
Некоторые газы в атмосфере Земли выполняют ту же роль, что и стекло в теплице.
Эти газы называются парниковыми газами, и они задерживают солнечное тепло в атмосфере.
Парниковый эффект — это нагревание атмосферы Земли из-за солнечного излучения, направленного назад к Земле некоторыми газами в атмосфере.
Водяной пар, двуокись углерода и метан являются наиболее примечательными газами, которые лучше всего улавливают инфракрасное излучение.
Читать дальше: Что происходит с дождевой водой, падающей на землю?
Последняя мысль
Понимание того, как тепло передается от солнца к земле , помогает нам понять, как протекают различные процессы на нашей планете.
Это потому, что почти вся энергия на Земле исходит от солнца, что делает солнце нашим основным источником тепловой энергии.
Стоит отметить, что когда вы попадаете в холодный воздух из теплой среды, ваше тело выделяет некоторое количество тепла, и ваше дыхание показывает это.
Таким же образом растения выделяют тепло из своих листьев в атмосферу.
Как движется тепло?
Как движется тепло?
|
Как |
Тепло распространяется тремя способами: излучением, теплопроводностью и конвекцией.
Излучение происходит, когда тепло движется в виде энергетических волн, называемых инфракрасными лучами.
волны, прямо от своего источника к чему-то еще. Вот так тепло от
Солнце попадает на Землю. На самом деле все горячие предметы отдают тепло более холодным.
вещи. Когда тепловые волны достигают более холодных предметов, они создают молекулы
более холодный объект ускоряется. Когда молекулы этого объекта ускоряются,
объект становится горячее.
Инфракрасные волны являются частью спектра энергетических волн, известного как электромагнитное излучение.
спектр. Электромагнитный спектр включает в себя все виды энергии, которые могут
путешествовать волнами, включая свет, тепло, рентгеновские лучи, радиоволны, ультрафиолетовые волны
и микроволновки.
Все эти виды волн содержат много энергии. Кроме того, все они могут путешествовать
через глубокий космос. Вот почему мы можем видеть солнечный свет от звезд, миллиарды света
лет.
Свет от них излучается к нам.
Проводимость — это еще один способ передачи тепла.
Тепло — это форма энергии, и когда оно вступает в контакт с материей (что-либо
что вы можете потрогать физически) это заставляет атомы и молекулы двигаться. Один раз
атомы или молекулы движутся, сталкиваются с другими атомами или молекулами,
заставить их двигаться тоже. Затем они сталкиваются с другими молекулами и заставляют их
двигаться тоже. Таким образом, тепло передается через вещество.
Теплопроводность делает ручку кастрюли горячей, когда только дно
горшок касается плиты. Тепло от горелки запускает молекулы в
контакт с горелкой начинает двигаться. Эти молекулы сталкиваются с другими в
горшке, которые толкают других, пока все молекулы в горшке, в том числе и в
ручка, двигаются. Когда кто-то касается ручки кастрюли, он чувствует тепло.
Тепло передается от горелки к руке повара посредством теплопроводности.
Теплопроводность является важным способом распространения тепла в пространстве, но только
внутри космический корабль.
Поскольку в глубоком космосе очень мало материи,
тепло не может покинуть космический корабль за счет теплопроводности.
Конвекция — очень важный способ нагрева
движется на Земле, но не имеет большого значения в космосе. Конвекция происходит, когда
вещество, которое может течь, как вода или воздух, нагревается в присутствии
сила тяжести. Когда воздух или вода находятся в присутствии гравитации, гравитация притягивает
все вниз. Нижняя часть воздуха или воды становится более плотной, потому что она
тянется вниз, а также толкается вниз под весом молекул сверху
этого.
Когда на дне этого воздуха или воды есть тепло, молекулы воздуха или воды
при соприкосновении с теплом начинают двигаться, и молекулы расходятся.
нагретый воздух или вода становятся менее плотными. Он поднимается вверх, пока не попадет в воздух или
вода с той же плотностью, что и у него, и, попав туда, толкает
воздух или вода, которые были там в стороне. В то же время новый воздух или вода
заполняет пространство, освободившееся при подъеме нагретых молекул.
Добавить комментарий