如果你想知道地球周圍包裹著的這團氣體為我們默默地做了什么，你就要思考沒有它們的世界是什么樣子

就在現在，地球的溫度對人類來說非常完美，大約 13.9℃，或者說 57℉。是的，這比我們一般說的“室溫”大約 20℃低得多了，但要記得，這是對于整個星球來說的。這個平均溫度包括了所有的海洋和極地地區的地表溫度。所以也許 13.9℃也沒有那么冷，不是嗎？

當然，現在還有一個壞消息，伴隨著人類向大氣中排放越來越多的溫室氣體，例如二氧化碳等，造成氣候變化，地球的溫度正在緩慢地升高。溫室效應就是指氣候變化引起的地表溫度上升。

太陽輻射的能量

太陽是一個巨大的由氣體構成的球，她將相對較小的原子撞擊在一起形成更大的原子。這個過程產生大量的能量，我們稱之為核聚變 (正如我們在這篇文章中講的那樣)。這些能量如此巨大以至于我們周圍沒有什么東西像太陽表面那樣熱 (如果你想了解具體的數據話，那就是 5500℃)。

太陽表面以電磁波的形式向外輻射能量，其中處于可見光的頻率范圍內的那一部分就是我們看見周圍事物所需要的太陽光。太陽的燃料足夠維持這種狀態 50 億年。但是，與其考慮太陽可以放出的總能量，不如看看她的功率。

現在我們很快地了解一下能量和功率的區別：如果你將一本書從地上撿起來放到桌子上，你大約要消耗 10 焦耳能量?，F在你應該對焦耳這個能量的單位有所了解。

功率是使用能量的速率?？梢杂媚芰砍韵倪@部分能量所需要的時間來計算功率。如果你撿起這本書需要 1 秒，那么可以計算你的功率是 10 焦耳 / 1 秒 ——10 焦耳每秒，也就是 10 瓦。但假設你花了不少時間，用 10 秒鐘把書搬到了桌子上。盡管需要的能量仍然是 10 焦耳，但功率只有 1 瓦。作為比較，你房間里的 LED 燈的功率可能是 15 到 20 瓦。

太陽的功率是多少呢？太陽輸出的功率是 3.8×10²⁶ 瓦 (如果這里不用科學計數法，相信沒有人會愿意去數零的)。我們只需要知道，這是一個相當大的功率。

但是這是太陽的總輸出功率。如果你在一個距離太陽有一定距離的行星上，行星僅能接收到一小部分的太陽輸出功率。這時候輻射強度的概念就變得有用起來。想象有一個環繞太陽的球體，它可以接收太陽產生的全部能量。如果這個球的半徑變為原來的兩倍會發生什么呢？太陽發出的功率仍然是相同的，但它將分布在更大的面積上，意味著強度更低了。

我們可以用總輸出功率除以這些功率所分布的面積來計算強度：

這就是太陽光的強度，單位是瓦每平方米 (W / m²)。為什么這里會出現 4π? 這是因為球的表面積是 4πr²，這里 r 是球的半徑。

我們來代入數據進行計算。太陽到地球的距離是 1.496 億千米 (我們稱這個距離為一個天文單位，1AU)。利用太陽總輸出功率是 3.8×10²⁶ 瓦，算出地球上接收到的太陽輻射的強度是 1396 瓦每平方米。

火星上的太陽輻射強度是多少呢？火星的公轉軌道半徑大約是 1.5AU，可以算出太陽光強度只有 600 瓦每平方米。

在離太陽更近的水星上，太陽輻射強度是 8445 瓦每平方米。

吸收和放出輻射

來自太陽的光 (還有各個波段的輻射) 落在地球表面上。這些輻射造成地球表面的溫度升高，這是需要能量的。我們關心的不是總能量 (你很快就會知道原因)，而是功率，地球每秒吸收的能量。這當然和地球的大小有關，因為物體越大吸收的太陽輻射越多。

盡管地球近似是一個球體，地球面對太陽的部分看起來是一個圓。讓我們把地球接收到的功率記為 P_in，得到這樣的公式：

在這個表達式中，I 是太陽輻射強度，R 是地球半徑。

但等一下，上面這個公式不對！這里假設所有到達地球的光都被吸收了，成為 "能量輸入" 的一部分。但事實并非如此。一部分的入射太陽光被吸收了，但還有一部分被反射了。如果你曾經比較過在太陽下穿著白色和黑色 T 恤的區別，你就應該很容易理解這件事，畢竟穿黑色 T 恤在太陽下更暖和 (或者熱)。

我們定義行星的反射率為被行星表面反射出去的光的比例，用希臘字母 α 表示。這是一個無量綱數，取值范圍在 0 到 1 之間，0 表示的是沒有反射光的黑體，1 表示完全反射來自太陽 (或者其它地方) 的所有輻射。還是拿我們的 T 恤來舉例，0 就像穿著梵塔黑 (世界上最黑的物體) T 恤，1 就像穿著鏡子制成的 T 恤。

對于地球表面，反射率大約 0.3，不妨將其稱為淺灰色 T 恤。這樣，我們可以修改我們的輸入功率公式為：

要記得我們想要的是沒有被反射的那部分，這就是為什么表達式中是 1-α。

因為地球吸收太陽輻射，它的溫度逐漸上升。但是如果能量只是單向傳播，那么地球溫度將持續升高直到有一天地表熔化成巖漿 (這將是很糟糕的)。當然，地球不會一直升溫，因為地球也是一個熱輻射源。當物體變熱時，它們會產生輻射。太陽光加熱了地球，然后地球將部分熱量輻射回太空。

實際上，即便不那么熱的物體也會輻射電磁波。這些電磁波可能不在可見光波段，但是你可以借助紅外相機看到它們。

隨著地球被太陽光加熱，地球要輻射出更多能量 (我們把這個稱為總輸出功率)。最終，地球將達到這樣平衡溫度，在這個溫度下吸收太陽光的功率等于地球因自身溫度而輻射出的功率。

這里我們說明關于物體發光我們需要知道的兩件事情。讓我們以白熾燈泡為例，改變輸入功率升高燈絲溫度，正如我們使用調光開關作用是一樣的。如下圖，左邊的燈泡比右邊的燈泡溫度更低。

隨著溫度升高，有兩件事情發生改變。首先，溫度更高的燈泡更亮，發出更多光，因為它的總輸出功率更大。其次，發光的顏色也會發生改變，溫度更高的燈泡發出更短波長的光 —— 例如紫色和藍色的光 —— 而溫度更低的燈泡主要發出波長更長的光，例如紅光和橙紅色光。

我們已經有一個表達式用來計算太陽輻射到地球的功率?，F在我們只是需要一些東西來告訴我們太陽輻射出的總功率。這正是斯忒藩-玻爾茲曼（Stefan-Boltzman）定律所解決的問題。這個公式告訴我們物體熱輻射強度的溫度之間的關系。它長這個樣子：

這里，T 是物體以開爾文為單位的溫度，這樣我們就不需要處理負溫度，被稱為斯忒藩-玻爾茲曼常量。

公式中的最后一個字母 ——被稱為輻射率。它是取值 0 到 1 之間的無量綱數。一個完美的熱輻射體的輻射率是 1，而一個不發出熱輻射的物體的輻射率是 0。對于地球，我們假設它的輻射率是 0.9，因為地球不同區域有著不同的表面。

上面的關系給出了熱輻射的強度，但是我們需要功率。讓我們回憶強度是單位面積的功率。這意味著，地球輻射出的功率就等于斯忒藩-玻爾茲曼定律給出的強度乘以地球表面積。因為地球是個球體，表面積是 4πR²。

還有一件重要的事情：地球只有一面被太陽加熱，截面是一個圓形，但是它利用球形表面朝向所有方向輻射熱量。于是我們的功率方程變成：

是的，我知道它看起來很雜亂，但是這個方程并不糟糕。它只是在說來自太陽的輸入功率 (等號左邊) 等于輸出功率 (等號右邊)。注意到等號兩邊都有一個 R² 項，所以它們可以約掉，π 也是一樣?，F在我們只需要解出溫度 T。借助一點簡單的數學知識，我們得到：

有了這個表達式，我們可以將我們的數據代入來計算沒有大氣層的情況下地球的溫度。讀者們，請打開你們的計算器或者 Python 然后敲進所有數據。你應該會得到一個表面溫度大約 260.9K 或者說零下 13.2℃。

完結撒花，但是還有兩點注記。這只是地球的表面溫度。因為從太陽來的光只是落在地球表面，地球也只是從表面上向外輻射能量，這里忽略了任何表面與地球熔融內核之間的相互作用。

此外，注意到實際的地球平均溫度 (13.9℃) 冷了許多 —— 低了 27.1℃。這是因為地球實際上不是一個裸的巖石。相反，我們有一個令人敬畏的大氣層保護著我們不至于在那樣寒冷的世界里生活。

在這樣的低溫下地球將會是什么樣子呢。地球上已經有些地方溫度遠遠低于平均溫度，這樣的地方大多在南極，可以達到低于零下 90℃。并且盡管只有少數科學家在南極的基地里生活，但在加拿大的育空地區、阿拉斯加和西伯利亞卻長期有人居住，這些地方的溫度可以低于零下 60℃。因此，我們不應該僅僅根據溫度就認為較冷的地球不適合人類或其他形式的生命居住，但它們中的大多數可能會聚集到地球較溫暖的地區。(要記得-13.2℃是平均溫度，正如今天的地球一樣，兩極地區要比赤道地區冷。沒有大氣的南北極會比現在更冷。)

因為平均溫度-13.2℃意味著行星上更多地方將處于冰點 (0℃) 以下，更多的水將會以冰的形式存在。此外，溫度高于平均的地區將存在液態水，這與大氣壓有關。

令人驚訝的是，你仍然需要一個冰箱來存放食物和飲料。然而，這個冰箱不再用于將物品保持在低溫下，相反，它將用于將物品與外界的溫度隔絕開以防止東西結冰。

地球仍將比平均溫度-63℃的火星暖和。但是火星有些其它問題使他不適合人類居住。火星大氣非常稀薄并且含有極少量的氧氣。如果沒有大氣層，地球也會有這個問題。如果有生活在這樣環境中的生物，它們需要演化出不需要氧氣的形式 —— 人類作為游客則需要某種形式的宇航服用于呼吸和保護。

幸運的是對于我們地球人，地球確實是有大氣層的，它主要是氮氣但也有充足的氧氣，并且有 0.04% 的二氧化碳 (體積比)。二氧化碳和水吸收地球表面輻射的紅外線，將溫度保持在一個人們可以接受的范圍內 —— 至少現在是這樣。

但是二氧化碳是一個日漸增長的問題。過多的二氧化碳意味著大氣將達到更高的溫度，導致氣候變化帶來的所有可能問題，包括冰川熔化、海平面上升和極端天氣。這就是為什么《巴黎氣候協定》的國際目標是將升溫幅度控制在比工業化前水平高 1.5 ℃的范圍內 —— 而壞消息是，過去九年是有記錄以來最熱的時期。如果氣溫繼續攀升，地球將不再適合人類或地球上的許多其他生物生存。

作者：RHETT ALLAIN

翻譯：利有攸往

審校：掃地僧

原文鏈接：What Would Earth’s Temperature Be Like Without an Atmosphere?

本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：RHETT ALLAIN

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的如果地球没有大气层，冬天还会这么冷吗？的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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