太空有多冷 为什么整个地球表面不会结冰

很多人都有这样的常识，那就是太阳特别热，地球都能被晒热，但是日地之间的太空是绝对零度的（当然这个说法其实是错误的，太空实际上还是略高于绝度零度的），这不是相互矛盾了吗？为什么太阳能晒热地球，就不能把日地之间的太空晒热了呢？

为什么会感觉到温度？

要了解这个问题，我们就得先来了解一下：什么是温度。

当然，温度实际上是一个物理量，是反映物体冷热程度的物理量。所以，它是用来描述热现象的。

其实人类很早就在思考什么是”热”？然而迟迟没有一个令人满意的答案，各种假说都有各自的缺点。比如：200-300百年前，流行着一种热质说。后来随着热力学开始发展，人类意识到，从微观视角来看，温度的本质是分子热运动的剧烈程度。那这句话该如何理解呢？

我们都知道，万物都是由粒子构成的，但是粒子实际上并不是整齐划一地排列在一起。实际上，粒子是在做不规则的运动，布朗运动就可以充分地证明这一点。

科学家发现，当粒子整体运动剧烈时，温度就越高，反之亦然。

所以，我们就可以用粒子的平均动能来描述“热”。但是这里要补充一点，我们要感受到热或者说感受到温度，是有前提的。热力学其实是也被叫做统计力学，这是因为它是基于足够多的粒子数的统计基础之上的。这就意味着，如果要反映出温度来，就需要有足够多的粒子数才行。那如果粒子数很少，那会如何呢？

实际上，如果你身处几乎没有粒子的空间，并不会感受到温度的高低，当然应该会很容易被憋死。

地球为什么可以被太阳晒热？

知道了上面的内容，我们就来看看开头说到的那个问题。我们要知道的是，地球也是由粒子构成的，而且是大量的粒子。因此，但太阳辐射到底地球时，光子可以使得地球上的粒子热运动变得剧烈，这时候就会反映出温度升高的现象。

所以，地球能被晒热的根本原因，是因为地球本身是由大量的粒子构成的。那太空为什么不行呢？

实际上，太空是几乎真空的，所谓的真空就是粒子都不存在的空间。当然，绝对的真空是不存在的。宇宙实际上是几乎接近于真空状态。在宇宙学中，我们会用到一个宇宙密度的概念。科学家通过理论和模型，可以得出一个临界密度，这个临界密度是ρ0=0.9×10^(-29)克/厘米^3，这么看可能没什么感觉。

我们可以做个例子，这个临界密度相当于一平方米内只有一个氢原子。而根据最新的观测数据和理论分析来看，如今宇宙的密度是略小于临界密度的。这就意味着宇宙实际密度是略小于一平方米一个氢原子的水平。这样的粒子密度是不可能能够反映出温度的，所以，如果有人不小心暴露在太空，他实际上不会被冻死，因为他根本感受不到温度，不过由于气压太低，他的体液会沸腾，最终可能因为体液沸腾而死，也可能是被憋死的。

所以，太空没有办法被晒的原因本质上是因为单位体积内的粒子数实在太少了。

但如果这样你认为宇宙是绝对零度，那就错了。如果宇宙是绝对零度，那热力学定律早就会被改写了。实际上，宇宙是有温度的，这个温度是2.72K。为什么是这样呢？

我们现在知道，宇宙诞生一次大爆炸，这发生在138亿年前。大爆炸之后，宇宙处于类似于等离子态，有点类似于混沌的那种状态，也就是不透明，此时温度极其高。宇宙的空间开始剧烈的膨胀，随着空间膨胀，温度开始下降。

但我们要知道，温度是不可能凭空消失的。因此，这个宇宙大爆炸的余温还要留存至今，如今我们还能够探测到它，它的温度就是2.72K，也就是比绝对零度高2.72度，这也被称为宇宙微波背景辐射。如今已经成了天文学家人生必备的武林秘籍。

总结

从微观视角来看，温度的本质是分子热运动的剧烈程度，这就意味着温度是建立足够多的粒子数之上才有意义的。地球能被晒热，就是因为地球由大量的粒子构成，而宇宙几乎接近于真空，粒子数实在太少，所以无法反映出温度来，更没有办法被晒热。虽然宇宙体现不出温度，但实际上它是有温度的，这个温度就是宇宙微波背景辐射的温度。

事实上太空是一个止不住的散热器，意思是你不用加热就可以永久性地为其提供能量，但由于它同时也是一个出色的绝缘体（真空），意味着你只能缓慢的通过辐射红外线而向其中散失热量。

大约是太阳与我们之间的这个距离，阳光足够明亮，足以将大多数物体加热到接近披萨烘烤的温度，但是阴影一侧将在太空中散失越来越多的能量，并且物体的平均温度将稳定在接近水的冰点（这就是我们在这里的原因）。

因此，对于大多数在金星轨道和小行星带之间的任何地方运行的航天器，阳光的过热是唯一真正担心的。航天器可以通过反射绝热体来解决此问题，有时还可以旋转以使内部温度均匀。

下一个问题是消除航天器携带的设备（有时甚至是乘客）产生的热量。 这通常需要散热器，它必须是比较大的，并涂上浅色，以防止自己在太阳光下过热。 在某些情况下（例如宇航服），水冰升华器可用于散热，而无需大型散热器。

如今，随着你离太阳越来越远，重点将转移到保持温暖（使用放射性核热电发生器来运行加热器）和接近太阳，保持凉爽（至少一个靠近太阳探头的地方在反射型帐篷后面隐藏数月）。

如果空间在冻结，那么卫星或国际空间站为什么不冻结？

对于国际空间站和其他卫星来说，将温度保持在工作范围内确实是一个主要问题。

正如其他答案所指出的那样，变得太热（由于在阳光下和电子设备产生的热量）与变得太冷一样是一个问题。

这里有各种各样的维持所需温度的方法：

使用多层绝缘（MLI）

使用主动冷却系统

使用加热器

如果不采取上述措施，电子设备可能会“冻结”，甚至结构可能变形或失效（成功案例：ISS Longeron挑战）。

在国际空间站的加压模块内部（宇航员所在的地方），主要问题是来自所有计算机和其他电子设备的热量过多。多余的热量通过外部主动热控制系统排出。

对于位于桁架上的ISS设备而言，“冻结”是一个潜在的问题，包括机械臂，电池和电源转换器以及所有外部实验。 因此，所有这些设备都配有加热器。 没有加热器的外部设备被认为无法使用。

当然，“冻结”并不意味着被冰层覆盖。 没有可观数量的水或任何其他物质形成任何种类的层。 但是，由于不同的材料在冷却时会以不同的速度收缩，因此电路板可能会破裂，电气连接也会失败。

因为太空中没有空气，所有加热和冷却都是通过辐射发生的。 这是一个相当缓慢的过程，尤其是在断断续续的情况下（例如，在阴影下需要一段时间的冷却，然后在阳光直射的情况下进行一段时间的加热，然后再进行冷却等）。 我见过许多天的无动力设备的“热钟”。

“热时钟”是指在给定轨道位置（β角），设备在国际空间站上的位置以及设备本身的热公差的情况下，无电设备可以保持“冻结”的时间。“热时钟”是在自动或通过EVA安装或移动外部设备时进行计算的，并限制了这些操作所花费的时间。

太阳表面温度大约是5500K，地球上的温度也挺温暖，但地球与太阳之间的太空给我们的感觉却是非常寒冷的，无论是在《阿波罗13》中还是在科幻片比如《复仇者联盟》中的乌木喉就是这样领盒饭了，还有《异形》中被吸入太空的异形宝宝，那么事实真的是这样吗？

温度到底是什么？

在这个问题中最关键并不是温度，而是温度背后的本质，热力学中的温度定义物体微观粒子的运动剧烈程度，从这个定义中我们了解到温度必须有一个载体，它不介意是哪一种，但如果没有载体的话，温度就不能被定义！

布朗运动

1827年英国植物学家R. 布朗在观测花粉颗粒在水溶液中作不停的无规律运动，进一步的福安测发现，其他悬浮在液体中的颗粒也会不停的运动，1877年J.德耳索首先指出布朗运动是颗粒受到液体分子碰撞的不平衡力所致，1904年法国科学家H.潘卡雷认为这是液体分子无规律热运动表现

微观粒子运动与温度的关系

假设一个物体的最小粒子质量m以速度v运动，那么整体表现的温度为如下

T为绝对温标，K为玻尔兹曼常数，那么而质量知道了m和运动速度v，最终将可以求得这个物体表现出来的温度。

而普朗克温度就是这么来，mp普朗克质量，为：2.176 51(13) × 10^-8千克，它是粒子的康普顿波长与其史瓦西半径相比拟时的质量，即微观粒子质量的上限。

普朗克温度的本质就是可能最大的微观粒子在光速运动时所表现出来的温度，当然我们已知也没有那么大质量的基本粒子，也没有达到光速运动的微观粒子运动，所以对于人类来说这是一个不可能达到的温度，但宇宙大爆炸时可以，在第一个普朗克时间内宇宙就达到了这个温度，此后一路走低，一直到现在的微波背景辐射2.73K。

太阳和地球之间广袤的宇宙空间，温度的载体是什么？

宇宙空无一物吗？明显不是，但它也不是到处都是物质，比如太阳和地球之间的太空，这些区域以我们宏观的角度来看它是空无一物的，但它每立方厘米的原子数量约有数十个，甚至比本星际星云密度的0.3个/立方厘米还要高一些。但这明显不足以承载我们宏观俗称的温度。

因此我们用可以用温度来定义这片区域，但粒子太少，甚至我们可以忽略不计，那么太空中确实非常寒冷是吗？其实也不是这么理解！

寒冷的感觉哪里来的？

我们感到寒冷是因为身体的热量正在通过某一种途径快速散失，比如游泳上岸时一阵风过来特别冷，这是因为身上的水分被风蒸发带走了大量的热，或者冬天掉水里，冰冷的水通过传导带走了身体的热量，但如果赤膊掉到了太空里，第一没有风，因为没空气，第二没有介质传导，只有一种辐射降低体温，而辐射降温效率是比较低的，因此我们掉到太空里并不会感觉寒冷！

为什么有文章认为人掉到太空里会结冰？

会结冰其实并没说错，但却不是太空的低温造成的，而是低压，因为人体是含有大量水分的，在极低压的条件下体液会沸腾，导致皮肤破裂蒸发失温这是快速散热的主要途径，另外如果晒不到阳光的阴影处则会通过辐射慢慢降温，所以会是冰火两重天，晒到的位置犹如灼伤，晒不到的位置则慢慢结冰。

幸亏太阳和地球之间的微粒比较少，否则受到这些尘埃遮挡，地球获得阳光将大幅减少，就像遮天蔽日的沙尘暴天气，地球的日子可不是那么好过。

宇宙中最冷的地方

已知宇宙中最冷的地方是回力棒星云，这是一个扩散中的行星状星云，速度达到了150千米/秒

这个沙漏状的结构长达3万亿千米，大约是2万个天文单位，这是中心恒星死亡到了白矮星阶段再也束缚不住外部气壳时，物质流失所致，未来这个规模还将继续扩大。根据阿塔卡马毫米波/亚毫米波射电望远镜观测，回力棒星云的最低温度大约只有-272.15℃，仅仅比绝对零度高出约1℃！

不过未来它将失掉这顶桂冠，因为它扩散快速扩散的气体云正在被附近的恒星所照射，这将让它的温度慢慢回升，最后至少将会达到2.73K。