【地理探究】氣溫多少度才算高溫?為什麼高溫可以無限,而低溫最低是-273.15℃?

2021-02-22 譚老師地理工作室
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  高溫就是指日最高氣溫達到或超過35℃以上的天氣現象;連續數天(3天以上)的高溫天氣過程稱之為高溫熱浪(或稱之為高溫酷暑)。

  人在靜止狀態體溫調節極限溫度為31℃(相對溼度85%)、38℃(相對溼度50%)和40℃(相對溼度30%),也就是說超出極限溫度,人體機能將會受損,很可能會出現中暑或一些併發症。這只是一般人群的極限溫度,對於兒童、年老體弱者、慢性病患者來說,耐熱極限溫度會下降。

氣溫≠體感溫度

  為什麼大熱天走在大街上感覺到的溫度,會比氣象部門公布的實況溫度高?

  體感溫度實際上就是人通過皮膚與外界環境接觸時在身體上或精神上所獲得的一種感受,在相同的氣溫條件下,人們會因溼度、風速、太陽輻射(或日射)、著裝顏色甚至心情等的不同而產生不同的冷暖感受。例如,溼度較大會引發關節疼等不適,風大促進熱量散失,日照少時,人體感覺更冷。而實況溫度,指的是地面1.5米高的百葉箱裡測得的溫度。測溫必須是在比較空曠的地方完成,溫度計又高於地面1.5米,而且放在百葉箱中,避免了太陽直射。這是全球氣象組織統一規定的標準。這樣測得的溫度才是氣象學上所說的氣溫,即大自然狀態下的空氣流動溫度。

  據觀測,一般情況下,夏季晴天裡,水泥地上的溫度比百葉箱裡平均高出4℃,草地上的溫度則平均高出3℃,多雲天的溫差相應減低1℃左右。

【來認識一下高溫預警】

  盛夏裡,有不少城市的氣象部門都會紛紛拉響高溫預警,那這些「高溫預警」信號都是什麼意思?

宇宙最低溫度的限制是-273.15℃,也就是我們常說的絕對零度,有了具體數字的存在,而且也經常被人提起,所以我們都知道宇宙有極限低溫。但是極限高溫呢?一般我們很少提到極限溫度這個概念,所以導致我們很多人認為宇宙中的溫度是無限的,可以任意的升高,但是整個宇宙的能量是有限的,那麼又如何能存在無限高溫呢?下面我們就說下宇宙的最低溫度和最高溫度!                                                                                                                   

                                                                                                          首先我們了解下什麼是溫度

在物理學中,我們將有質量的粒子一般稱為物質粒子,例如:質子、中子、電子,而那些無質量的粒子則稱為輻射粒子,例如:光子。能量越高的物質粒子,說明其攜帶的動能越高,也就是運動速度越快,在宇宙學中我們會簡單地稱為「熱粒子」,而那些動能低,運動速度慢的粒子稱為「冷粒子」。能量越高的輻射粒子(光子),則擁有更短的波長、更高的頻率。

我們在宇宙中所能看到的所有普通物質結構都是由原子構成的,當然一些物質是由原子組成的分子構成的,這些原子和分子在物質結構中並不是靜止不動的,而且一直在隨機運動或者振動,而隨機運動和振動的粒子就擁有了一定的動能,說明其攜帶一定的能量,這個能量就變現為物質結構內部的熱能。換句話說,粒子在物種中的隨機運動或者震動是物質產生熱量的根本原因。

而溫度就是我們人類規定出來的,用以衡量物質中原子和分子所擁有平均動能的物理量。而絕對零度的定義是,物質中沒有任何原子或者分子運動的狀態,也就是物體的內能為0。而絕對零度也會讓,宇宙中的基本粒子的動能為0,失去運動速度。這就違反了量子力學中的不確定性原理,任何物質粒子的動能和位置不可能同時確定,它們的乘積必須大約普朗克常數的1/2。而且輻射粒子,光子攜帶的能量也不可能為0,只會無限地接近0。所以,宇宙中不可能存在靜止不動的粒子,也不可能存在不攜帶能量的光子,因此,絕對零度無法達到。

宇宙中的極限高溫

我們知道整個宇宙中的所有物質和輻射粒子都來源於大爆炸,而大爆炸這個充滿能量的狀態來源於宇宙暴漲階段,既然宇宙有起源,那麼它肯定在過去的某個時刻存在極限高溫。而且我們知道宇宙中的能量是守恆的,所以在宇宙誕生到現在能量並沒有消失,那麼我們將目前宇宙中所有的物質都轉化為能量,並且將所有可能的能量形式都加起來,那麼我們就能知道宇宙誕生時的極限溫度了。

在我們的可觀測宇宙中,目前存在著普通物質、暗物質、中微子、反中微子、輻射,以及空間中固有的能量,其中普通物質粒子大約有10^80,中微子和反中微子的數量大約在10^89,然後我們在加上所有的暗物質和暗能量,然後通過E=mc^2將所有的物質都轉化為純能量,而這個能量大約對應於10^103開爾文的溫度。所以,我們將可觀測宇宙中所有的能量都加在一起,是存在一個極限溫度的。

為什麼我們平時不說極限高溫呢?

不說的原因是因為極限高溫對我們人類來說,可望而不可即。不像絕對零度那樣,目標就在眼前,雖然在理論上無法達到,但我們還可以通過技術手段無限的接近。而極限高溫說的正是極限能量,其實我們人類一直在粒子加速器中追求更高的能量,但是我們人類所創造的能量,在宇宙中根本不值一提,譚老師地理工作室綜合整理比不上一顆無時無刻正在發光的太陽,比不上一次超新星爆發、比不上宇宙射線對地球的轟擊、更比不上一次黑洞物質噴流和X射線、γ射線爆發。

而且在創造更高能量的過程中還會存在一些災難性的限制。例如:

當我們把非常大的能量聚集在一個很小的空間內,就會創造出一個黑洞。

不過這個黑洞並不是我們常見的那種能夠吞噬一切的大型黑洞,而是微型黑洞。當我們將足夠的能量附加於一個量子粒子,那麼在非常小的尺度上就會創造一個微型黑洞,這個能量大約為10^19GeV,但是微型黑洞由於質量非常小,會在極端的時間內通過霍金輻射衰變。因此,高能量下黑洞的形成,也會阻止人類創造極限高溫。

在某一能量下,可能會重啟宇宙暴漲階段。宇宙的本質其實就是能量,能量可以創造一切,可以導致宇宙暴漲,可以誕生熱大爆炸狀態,可以創造出任何我們已知和未知的粒子,當能量達到一定的程度,就會造成空間呈指數膨脹。像是按下了宇宙重啟的按鈕。

因此,我們通常不說宇宙極限高溫是多少,因為在我們人類看來,高溫確實是無限的,因為我們永遠無法達到,而且宇宙中到底有多少能量其實我們並不是很清楚,一些數值只不過是我們人類估算出來的。所以討論極限高溫是沒有意義的。

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