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太陽離地球這麽遠,為啥在中午能感覺到強烈的溫度?

2021-11-18知識

我看了一下,大部份回答都沒答到點子上。讓我來寫一篇枯燥的回答吧。

題主的問題可以簡化成: 行星表面溫度與太陽距離的關系。 (那個什麽中午不中午的,就先忽略不講了吧,主要是太陽入射角、穿過大氣層路徑等因素,下午2點最熱主要是因為地面放射線的原因。這個不是這個問題的關鍵部份,就先略了)

不就是近熱遠冷麽,這還用問?

直覺告訴我們,離太陽越遠,行星越冷。大部份人都有烤火或暖氣片的經歷,很容易理解。那我們來看看各個行星(及一個矮行星)的表面溫度:

看上去大部份都是按距離太陽從近到遠、溫度從高到低的順序排的。但水星和金星是個例外。水星距離太陽大約是金星的一半,但卻比金星的表面溫度低很多。

怎麽回事?

我們來推導一下。我們先假設行星從恒星吸收到的能量和其自身放射線散發能量是相等的(否則就不平衡了)。根據斯特凡-波茲曼定律和這個那個一堆奇奇怪怪的公式,假設地球是個黑體,推匯出行星的理論平衡溫度T應滿足( 好吧,這是唯一一個公式,我保證不再寫公式了 ):

4{\pi}R^2{\sigma}T^4=\frac{{\pi}R^2L_{\odot}(1-a)}{4{\pi}D^2}

兩邊約一下,就變成了:

T^{4}=\frac{L_{\odot}(1-a)}{16\pi \sigma D^{2}}

上面那個帶個腳標的L可以理解為太陽的亮度,a是行星反射率,D是與太陽的距離,其它都是常數不用管了。

透過初中數學知識可知,在假設行星反射率a不變的情況下,行星平衡溫度T與跟太陽的距離D的開方成反比。

大概算一下,地球的平衡溫度是-18攝氏度 [1] ,但實際地球溫度為15攝氏度 [2] 。雖然相差不多,但還是差了那麽一點點。那這一點點到底是什麽原因造成的呢?

行星大氣

粗略的來看,這主要是由於大氣的溫室效應造成的 [3] 。在溫室效應中,行星反射的長波放射線被大氣吸收並重新射回到地面,導致表面溫度高於平衡溫度。上面提到的金星比水星還熱就是這個原因,金星算出來的平衡溫度約為-13℃,而實測金星厚重的二氧化碳大氣層的雲層頂部溫度約為-50℃,但到了93個大氣壓的金星表面,溫度已經高達450℃左右,比烤肉需要的200℃還高出許多。

可惜的是,溫室效應很復雜很隨機,就像天氣預報一樣無法有公式準確估算出具體的數值。大氣環流、初始豐度與二氧化碳含量、軌域遷移、大陸的分布、自轉軸的傾斜角度(我之前的一個回答裏有寫)、一天的長度和大氣的密度等都會影響這個數值。一般來說,行星平衡溫度要低於行星平均溫度和地表空氣溫度。

而像火星這樣只有極稀薄的大氣的行星來說,數值就比較接近。火星的平衡溫度為210K,表面平均溫度為215K,相差極小。月球也是一樣。

說到月球,就順便提一下潮汐加熱吧。當行星的衛星在行星表面產生潮汐時,也會使溫度進一步升高。另外,地心的地熱能也會導致實際溫度比平衡溫度更高。土星的實際溫度約為95K,而算出來的平衡溫度只有為63K,就是這個原因造成的。木星也有類似的現象,它的地熱能讓其實際的溫度上升了40至152K [4] 。天王星的實際溫度和算出來的平衡溫度就非常接近,說明天王星的內部已經幾乎沒有什麽熱能了。

回答題主的問題

講了那麽一大堆,終於可以回到正題了。

題主認為,1.5億公裏以外的太陽已經離我們很遠很遠了。事實確實如此。透過粗略的計算可知,由於地球距太陽很遠,與太陽相比直徑也很小,所以太陽放射線出的總能量是地球獲得的20億倍 [5] ,或者說,地球只接收到了太陽能量的20億分之一。這麽小的比例,應該沒有那麽熱才是。

但太陽遠比人類的想象還要恐怖。1838年,法國物理學家克勞德·普耶和英國天文學家約翰·赫雪爾爵士第一次試圖直接測定太陽常數,也就是想知道射到地球上的太陽光到底有多厲害。兩人各自獨立設計了不同的測定裝置。他們都是嘗試用溫度計測量太陽光下一定量的水的升溫過程,因為水的比熱已知,透過計算就可以得出光照強度。由於他們都沒有考慮地球大氣對光的吸收,所以他們的測定值只有現在所用值 1367 W/m^{2} [6] 的一半左右。粗略的換算一下,大概相當於一個12萬流明 [7] [8] 的燈泡。相比之下,好一點的家用投影機也就幾千流明吧,就已經亮瞎了。

所以,雖然太陽距離地球真的很遠,但照到地球上依然感覺很熱的原因,就是因為距離還是不夠遠,而太陽卻相當強。

參考

  1. ^ σ取5.670373乘十的負八次方,反射率取0.29,d取1490億米,L取3.846乘10的26次方瓦
  2. ^ 平衡溫度要考慮到整個行星表面,包括赤道和兩極
  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/太陽常數
  6. ^ 1981年,世界氣象組織(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