地面最热可以有多少度？

张学文

地面最热可以有多少度？

张学文，20190630

    无意间发现去年的一个关于太阳能的小计算。在炎热的夏天，想来它可能对理解地面会有多么热有启发。

是的，夏天大家感到热。这个热是指空气的温度很高。气温摄氏36度已经很不舒服了。而如果光着脚踩到大太阳下的柏油路上，其温度要更高。

    确实在日光下，地面的温度比空气会更热！于是形成一个问题：地球的地面最热可以到达多少度？等等

    下面是一些粗分析：

1.太阳的温度据说接近6000度。人类无法忍受这个温度。

2.好在地球离太阳很远。太阳能到达地球表面以后给与垂直与太阳的地表面的能量流大约是1370瓦/平方米。

3.如果这些太阳能全部集中在垂直于太阳的地表面（大气没有阻挡/吸收），那么当地的温度当然很高。那么1370瓦/平方米的辐射能究竟对应多高的温度？

4.不妨认为地表面把这些太阳能全部吸收以后再以对应的温度把这些能量按照黑体辐射定律辐射出去。此时的温度就是地表面可以到达的最高温度了。

5.我们知道黑体辐射的能量与绝对温度的四次方是成正比例的。于是我计算得到与1370瓦/平方米能量流对应的黑体辐射温度是121摄氏度。

也就是说，地面温度到达摄氏121度，其辐射出去的能量与太阳能的1370瓦/平方米是相同的。即地表面到达热量平衡。

6.所以我估量121摄氏度是地球表面可能到达的最高温度了。

7. 121摄氏度的高温，意味着水可以沸腾。人类也无法忍受。但是这个数字仅是个理论的上限。我们听说过太阳底下的热地面可以把鸡蛋烤熟，这也就是60-70摄氏度，而远没有到达120摄氏度。

8. 以上分析的是园的地球直对着太阳的那个点上的情况。其实转动中的地球平均获得的太阳能应当仅是前面的太阳能数值的1/4.（球面的表面积是横截面面积的4倍）。所以1370/4，大致是340，这才是世界各地平均获得的太阳能的强度。而这个平均太阳能折合的地面黑体温度是摄氏5.6度。这个温度与全球地面附近的温度就比较接近了。

9. 记得气象学计算的全部大气的平均气温是-18摄氏度。这个温度看起来离谱，但是想一想大气包括近地面的比较热的空气也包括平流层的冷空气。-18度应当是它们的平均值。我记得过去计算过500百帕（大气中部）的平均气温就是-18摄氏度的水平。看来这些分析靠谱。

10.而我的小计算表明如果承认进入大气的太阳能有30%是被云等等物质反射回去了，那么地球平均获得的太阳能就是（340瓦/平方米）再乘以70%。依此计算出来的地球表层温度是-18摄氏度。而这个温度恰好与大气的平均温度相等！

补充：博主龙明庆在留言中补充了两个重要的知识点。一是这个理论温度应当与没有大气的月球表面温度差不多，另外一个是我们用的太阳能热水器可以到达的温度是多少。谢谢龙教授，也欢迎读者进一步补充或者发挥。

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xzllzx

平流层是冷空气吗？

张学文

xzllzx 发表于 2019-7-31 23:32
平流层是冷空气吗？

平流层处于大气气温的低端。

xzllzx

张学文 发表于 2019-8-1 10:11
平流层处于大气气温的低端。

嗯，张老师说的是，对流层下部和平流层底确实是低端，但平流层中部因为臭氧可能未必（虽然温度也足够低），我当时是这个意思

xzllzx

另外文中“记得气象学计算的全部大气的平均气温是-18摄氏度”，应是地气系统的平均温度，“全部大气的平均温度”给人以采用了一层大气和地面进入计算的错觉

张学文

xzllzx 发表于 2019-8-1 19:23
另外文中“记得气象学计算的全部大气的平均气温是-18摄氏度”，应是地气系统的平均温度，“全部大气的平均 ...

-18度是全球各层空气按大气质量的平均值，不是地面气温的平均值。它大致与500百帕的全球气温平均值是一致的。