Temperatura jest jedną z najważniejszych wielkości fizycznych, która charakteryzuje stan termiczny materii. Temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej cząstek, z których składa się dany układ. Im szybciej się poruszają, tym wyższą temperaturę mają. Temperatura ma wpływ na wiele zjawisk fizycznych i chemicznych, takich jak rozszerzalność cieplna, ciśnienie, przewodność cieplna, stan skupienia czy promieniowanie elektromagnetyczne.
Temperatura nie jest jednak stała we wszechświecie. W zależności od miejsca i czasu może przyjmować bardzo różne wartości, od najniższej możliwej temperatury, czyli zera absolutnego, do najwyższej znanej temperatury, czyli temperatury jądra gwiazdy podczas wybuchu supernowej. W tym artykule przyjrzymy się bliżej temu, jak ciepły jest kosmos i jakie czynniki wpływają na jego temperaturę.
Czym jest zero absolutne?
Zero absolutne to najniższa możliwa temperatura, przy której wszystkie cząstki materii zatrzymują swój ruch. Według trzeciej zasady termodynamiki nie można osiągnąć temperatury zerowej w skończonym czasie za pomocą żadnego procesu fizycznego. Zero absolutne odpowiada wartości −273,15 stopni Celsjusza lub 0 kelwinów (K) w skali Kelvina.
Zero absolutne jest granicznym przypadkiem temperatury w kosmosie. W praktyce nie ma takiej przestrzeni kosmicznej, która byłaby całkowicie pozbawiona materii i energii. Zawsze istnieją jakieś czynniki, które podgrzewają lub ochładzają otoczenie. Jednym z nich jest promieniowanie elektromagnetyczne.
Jak promieniowanie wpływa na temperaturę w kosmosie?
Promieniowanie elektromagnetyczne to fala elektromagnetyczna, która przenosi energię przez próżnię lub ośrodek materialny. Promieniowanie elektromagnetyczne obejmuje wiele rodzajów fal o różnych długościach i częstotliwościach, takich jak światło widzialne, podczerwień, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie czy gamma.
Promieniowanie elektromagnetyczne ma kluczowe znaczenie dla temperatury w kosmosie, ponieważ jest jednym z głównych sposobów wymiany ciepła między ciałami niebieskimi. Każde ciało o temperaturze wyższej niż zero absolutne emituje promieniowanie elektromagnetyczne proporcjonalne do swojej temperatury i powierzchni. Im wyższa temperatura ciała, tym większa energia i częstotliwość promieniowania.
Na przykład Słońce emituje promieniowanie głównie w zakresie światła widzialnego i podczerwieni, ponieważ ma temperaturę około 5800 K na swojej powierzchni. Ziemia natomiast emituje promieniowanie głównie w zakresie podczerwieni, ponieważ ma temperaturę około 288 K na swojej powierzchni. Promieniowanie emitowane przez ciało nazywa się promieniowaniem ciała doskonale czarnego.
Promieniowanie elektromagnetyczne może być również pochłaniane lub odbijane przez inne ciała. W ten sposób ciało może zyskiwać lub tracić energię i zmieniać swoją temperaturę. Na przykład Ziemia pochłania część promieniowania słonecznego, co podnosi jej temperaturę, a część odbija, co zmniejsza jej temperaturę. Równowaga między pochłanianiem i odbijaniem promieniowania określa temperaturę równowagi ciała.
Temperatura równowagi ciała zależy od jego albedo, czyli stosunku energii odbitej do padającej, oraz od jego odległości od źródła promieniowania. Im większe albedo, tym niższa temperatura równowagi. Im większa odległość, tym niższa temperatura równowagi. Na przykład temperatura równowagi Ziemi wynosi około 255 K, a temperatura równowagi Plutona wynosi około 40 K.
Promieniowanie elektromagnetyczne nie jest jedynym rodzajem promieniowania występującego w kosmosie. Istnieje również tak zwane promieniowanie reliktowe lub mikrofalowe promieniowanie tła (CMB), które jest pozostałością po Wielkim Wybuchu, czyli początku wszechświata. Promieniowanie reliktowe ma bardzo niską temperaturę, około 2,7 K, i wypełnia całą przestrzeń kosmiczną. Promieniowanie reliktowe jest więc najniższą znaną temperaturą w kosmosie.
Jak temperatura zmienia się w kosmosie?
Temperatura w kosmosie nie jest stała ani jednolita. Zależy ona od wielu czynników, takich jak odległość od źródeł promieniowania, obecność materii, ruch ciał niebieskich czy zjawiska astrofizyczne. Temperatura w kosmosie może się zmieniać zarówno w czasie, jak i w przestrzeni.
W czasie temperatura w kosmosie zmienia się wraz z ewolucją wszechświata. Według obecnie przyjętego modelu kosmologicznego wszechświat rozpoczął się od Wielkiego Wybuchu około 13,8 miliarda lat temu. Wtedy temperatura była niezwykle wysoka, rzędu 10321032. Wszechświat był wypełniony gęstą i gorącą plazmą złożoną z cząstek elementarnych.
Wraz z ekspansją wszechświata temperatura spadała i cząstki łączyły się w atomy i cząsteczki. Po około 380 tysiącach lat od Wielkiego Wybuchu temperatura spadła do około 3000 K i wszechświat stał się przezroczysty dla promieniowania elektromagnetycznego. To właśnie wtedy powstało promieniowanie reliktowe, które obserwujemy dzisiaj.
Od tego czasu temperatura wszechświata spadała jeszcze bardziej i obecnie wynosi około 2,7 K. Jednak temperatura nie spada jednostajnie we wszystkich miejscach. Wszechświat jest pełen nierównomiernie rozłożonej materii, która tworzy struktury takie jak galaktyki, gwiazdy czy planety. Te struktury mają własne źródła ciepła i wpływają na temperaturę swojego otoczenia.
W przestrzeni temperatura zmienia się w zależności od odległości od ciał niebieskich i ich ruchu. Im bliżej jesteśmy źródła ciepła, takiego jak gwiazda, tym wyższa jest temperatura. Im dalej jesteśmy od źródła ciepła, tym niższa jest temperatura. Na przykład temperatura na Merkurym, najbliższej planecie do Słońca, wynosi około 430 stopni Celsjusza w dzień i około −180 stopni Celsjusza w nocy. Temperatura na Neptunie, najdalszej planecie od Słońca, wynosi około −220 stopni Celsjusza.
Jak ciepłe są gwiazdy?
Gwiazdy to olbrzymie kule gazu, głównie wodoru i helu, które świecą dzięki reakcjom termojądrowym zachodzącym w ich wnętrzu. Reakcje termojądrowe polegają na łączeniu się jąder atomowych lżejszych pierwiastków w cięższe, przy czym uwalniana jest ogromna ilość energii. Energia ta podgrzewa gwiazdę i promieniuje na zewnątrz.
Temperatura gwiazdy zależy od jej masy, wieku i stadium ewolucji. Im większa masa gwiazdy, tym większe ciśnienie i temperatura w jej wnętrzu, tym szybsze reakcje termojądrowe i tym większa jasność. Im starsza gwiazda, tym więcej paliwa zużyła i tym bardziej zmieniła się jej struktura i temperatura. Im dalej stadium ewolucji gwiazdy, tym bardziej złożone są reakcje termojądrowe i tym wyższa temperatura.
Temperatura gwiazdy można mierzyć na różnych poziomach: temperaturę jądra, temperaturę powierzchni i temperaturę fotosfery. Temperatura jądra to temperatura w centrum gwiazdy, gdzie zachodzą reakcje termojądrowe. Temperatura powierzchni to temperatura na granicy między gazem a próżnią kosmiczną. Temperatura fotosfery to temperatura warstwy gazu, z której pochodzi widoczne światło.
Temperatura jądra gwiazdy jest najwyższą znaną temperaturą w kosmosie. Może ona sięgać nawet
109109
K dla najgorętszych i najcięższych gwiazd. Na przykład temperatura jądra Słońca wynosi około
1,5×1071,5×107
K, a temperatura jądra Betelgezy, czerwonego olbrzyma, wynosi około
3×1083×108
K.
Temperatura powierzchni gwiazdy jest znacznie niższa niż temperatura jądra, ponieważ energia musi pokonać wiele warstw gazu zanim dotrze do zewnętrznej granicy. Temperatura powierzchni gwiazdy można odczytać z jej koloru, ponieważ im wyższa temperatura, tym większa częstotliwość i energia promieniowania. Gwiazdy o niskiej temperaturze są czerwone, a gwiazdy o wysokiej temperaturze są niebieskie.
Temperatura fotosfery gwiazdy jest zbliżona do temperatury powierzchni, ponieważ fotosfera jest najbardziej zewnętrzną warstwą gazu emitującą światło widzialne. Temperatura fotosfery gwiazdy można również odczytać z jej widma, czyli rozkładu intensywności promieniowania w zależności od długości fali. Widmo gwiazdy zawiera charakterystyczne linie pochłaniania lub emisji, które odpowiadają poziomom energetycznym atomów lub cząsteczek w fotosferze.
Temperatura fotosfery Słońca wynosi około 5800 K, co odpowiada kolorowi żółtemu. Temperatura fotosfery Syriusza, najjaśniejszej gwiazdy na nocnym niebie, wynosi około 9600 K, co odpowiada kolorowi białemu. Temperatura fotosfery Rigel Kentaurusa A, najbliższej gwiazdy do Słońca poza Układem Słonecznym, wynosi około 8600 K, co odpowiada kolorowi białoniebieskiemu.
Jak zimne są planety?
Planety to ciała niebieskie o kształcie zbliżonym do kulistego, które krążą wokół gwiazd lub innych ciał niebieskich. Planety nie emitują własnego światła, ale odbijają lub pochłaniają światło od swojej gwiazdy. Planety mogą mieć różne rodzaje atmosfer, powierzchni i wnętrz, które wpływają na ich temperaturę.
Temperatura planety zależy od wielu czynników, takich jak odległość od gwiazdy, albedo, atmosfera, ruch obrotowy, ruch orbitalny czy aktywność geologiczna. Im dalej planeta jest od gwiazdy, tym mniej otrzymuje energii promieniowania i tym niższa jest jej temperatura. Im większe albedo planety, tym więcej odbija światła i tym niższa jest jej temperatura. Im grubsza i gęstsza atmosfera planety, tym lepiej zatrzymuje ciepło i tym wyższa jest jej temperatura.
Temperatura planety może się różnić w zależności od miejsca i czasu. Na przykład temperatura na równiku planety jest zwykle wyższa niż na biegunach, ponieważ równik otrzymuje więcej promieniowania słonecznego. Temperatura w nocy planety jest zwykle niższa niż w dzień, ponieważ w nocy planeta nie otrzymuje promieniowania słonecznego. Temperatura w zimie planety jest zwykle niższa niż w lecie, ponieważ w zimie półkula planety jest skierowana z dala od gwiazdy.
Temperatura planety może być mierzona na różnych poziomach: temperaturę powierzchni, temperaturę troposfery i temperaturę termosfery. Temperatura powierzchni to temperatura na granicy między atmosferą a lądem lub oceanem. Temperatura troposfery to temperatura najniższej warstwy atmosfery, gdzie zachodzą zjawiska pogodowe. Temperatura termosfery to temperatura najwyższej warstwy atmosfery, gdzie występują zorze polarne.
Temperatura powierzchni planety jest najbardziej istotna dla życia i klimatu. Może ona sięgać nawet kilku tysięcy stopni Celsjusza dla najgorętszych planet, takich jak planety bliskie gwiazd lub planety-rogale. Może ona spadać nawet do kilkuset stopni poniżej zera dla najzimniejszych planet, takich jak planety dalekie od gwiazd lub planety lodowe.
Temperatura troposfery planety jest ważna dla pogody i cyrkulacji atmosferycznej. Może ona się zmieniać wraz z wysokością i szerokością geograficzną. Zwykle temperatura troposfery spada wraz z wysokością, ponieważ górne warstwy atmosfery otrzymują mniej ciepła od powierzchni. Zwykle temperatura troposfery spada wraz ze wzrostem szerokości geograficznej, ponieważ bieguny otrzymują mniej promieniowania słonecznego niż równik.
Temperatura termosfery planety jest istotna dla oddziaływania z przestrzenią kosmiczną i promieniowaniem kosmicznym. Może ona się znacznie zmieniać w zależności od aktywności słonecznej i magnetycznej. Zwykle temperatura termosfery rośnie wraz z wysokością, ponieważ górne warstwy atmosfery są bezpośrednio narażone na promieniowanie słoneczne i kosmiczne.
Temperatura powierzchni Ziemi wynosi średnio około 15 stopni Celsjusza, ale może się zmieniać od około −90 stopni Celsjusza na Antarktydzie do około 60 stopni Celsjusza na pustyniach. Temperatura troposfery Ziemi wynosi średnio około −18 stopni Celsjusza na poziomie morza, ale może się zmieniać od około −60 stopni Celsjusza.
Jak temperatura wpływa na życie w kosmosie?
Temperatura jest jednym z kluczowych czynników, które warunkują możliwość istnienia życia w kosmosie. Życie, jakie znamy, wymaga odpowiedniego zakresu temperatury, aby mogło funkcjonować i ewoluować. Zbyt wysoka lub zbyt niska temperatura może zaburzyć procesy biochemiczne, uszkodzić struktury molekularne lub zniszczyć organizmy.
Nie wiemy dokładnie, jaka jest minimalna i maksymalna temperatura, przy której może istnieć życie. Wiemy jednak, że na Ziemi istnieją organizmy ekstremofilne, które potrafią przetrwać w bardzo trudnych warunkach termicznych. Na przykład termofile to bakterie lub archeony, które żyją w wysokich temperaturach, np. w źródłach geotermalnych czy kominach hydrotermalnych. Psychrofile to bakterie lub archeony, które żyją w niskich temperaturach, np. w lodzie czy śniegu.
Zakładając, że życie w kosmosie jest podobne do życia na Ziemi, można szacować, że optymalna temperatura dla życia wynosi około 20 stopni Celsjusza, a graniczna temperatura dla życia wynosi około −20 stopni Celsjusza lub 120 stopni Celsjusza. Oczywiście te wartości mogą się różnić w zależności od rodzaju organizmu, jego adaptacji i ochrony.
Temperatura nie jest jednak jedynym czynnikiem, który wpływa na życie w kosmosie. Istotne są również inne warunki, takie jak obecność wody, tlenu, światła, składników odżywczych czy ochrony przed promieniowaniem kosmicznym. Dlatego nie wystarczy znaleźć planetę o odpowiedniej temperaturze, aby stwierdzić, że jest ona zamieszkana lub nadaje sie do zamieszkania. Trzeba również zbadać jej inne właściwości i potencjalne formy życia.