地球历经46亿年,核心温度仍与太阳表面温度相当,原因是?

地球表面70%被液态水覆盖,剥开水圈,地球外面这层薄如蛋壳的岩石质外壳,被称为地壳。火山爆发时喷出的熔岩就来自地壳之下,温度高达900~1400摄氏度。越深入地球内部,温度越高。

地球是人类的家园,科学家通过测定放射性核素的衰变情况,发现地球大约有46亿岁了。虽然经过了46亿个年头,地球依旧保持着旺盛的生命力。

地球表面70%被液态水覆盖,剥开水圈,地球外面这层薄如蛋壳的岩石质外壳,被称为地壳。火山爆发时喷出的熔岩就来自地壳之下,温度高达900~1400摄氏度。越深入地球内部,温度越高。科学家综合各方面的数据,发现地核的温度大约在4000~6000摄氏度左右。要知道,太阳表面的温度也才5500摄氏度左右。

地球诞生了这么久,经过长时间的冷却,为什么内部温度还这么高?这得从地球内部的情况说起。

了解地球内部:地震波代替X光给地球做CT

地球是一个岩石行星,半径高达6371千米。要想了解地球内部的情况,确实很困难,但并非没有办法。

前苏联科学家曾经往地下钻了一个12263米的深孔,这就是著名的科拉超深钻孔。该钻孔位于毗邻挪威的科拉半岛,纯粹是为了科研目的而进行的钻探任务。目前世界上最深的钻探深度是位于俄罗斯库页岛的一处油井,钻探深度达12345米。

上图为科拉超深井SG-3钻孔遗址。

地球上时常有火山喷发,从地球深处流出的熔岩也能让我们了解地球内部的部分情况。除了火山喷发,地球上每天都会发生大大小小的地震,通过研究地震也能了解地球内部的情况。

CT是医院中常见的一项检查,CT的中文名叫做计算机断层扫描。利用x光扫描人体,由于人体不同组织器官对x光的吸收和透过程度不同,于是就可以建立人体的内部结构图像,同时也能发现身体中哪些部位出现病变。发生地震时,会产生地震波,利用地震波代替x光,地震波遇到不同地层结构时传播状况会发生变化,这样科学家们就能了解到地球内部的情况,这就好比给地球做CT。

如上图所示,地震波在地下不同深度区域的传播速度不同。

地震波是一种机械波,机械波可以分为横波和纵波,它们在不同材质中的传播特性不同。比如,地震波在传播过程中,横波就不能穿透外地核。再根据其它实验数据,就能大致摸清地球内部的情况,包括地层结构,及不同圈层的密度、压力、物质种类和物相等数据。

上图为地球内部不同圈层的主要数据。

通过长期的研究,科学家给地球分了三个同心球层,从内到外依次为:地壳、地幔和地核。地壳与地幔之间由莫霍面分开,地幔与地核之间由古登堡面分开,这些都是根据地震波的传播情况来划分的。地壳很薄,上地幔上部有一个软流层,整个地壳就仿佛漂浮在上面。地震通常发生在地壳之中,岩浆则来源于软流层。

地幔和地核属于地球内部圈层,地核主要由金属铁和镍构成,外地核是液态金属,内地核则是固态金属。地壳与地幔的交界地带,温度大约在1000摄氏度左右;地幔与地核的交界地带,温度大约在4000摄氏度左右;内地核的温度则与太阳表面的温度相当,核心处的温度可能高达6800摄氏度。地球内部温度虽然随着深度的增加而增加,但并不是呈线性增长。

地球内部有源源不断的热源

地球表面平均温度大约15摄氏度,主要受太阳辐射影响。而在不见天日的地下,高温则来源于地下热源,并且温度会随着深度的增加而增加。

地球内部的热量有三个来源:

1,地球诞生之初的残余热量。

地球是由岩石碎片在引力的作用下形成的,这些岩石碎片不断的碰撞并聚集,动能转变为内能。因此,在地球诞生之初,不仅内部,整个地球表面也都处于熔融状态。经过长时间的冷却,地表的热量以辐射的方式散发到太空中,地球表面才逐渐冷却变硬,然后才有了海洋和生命。目前,这部分热能仅占很少一部分。

2,地球内部放射性元素衰变后产生的热量。

地球诞生之初,大量放射性元素沉积到地球内部,现在主要是铀-238、铀-235、钍-232和钾-40等放射性元素。这些放射性元素衰变后会释放热量,然后聚集在地球内部。旅行者号探测器就是利用放射性元素衰变产生的能量供电,一块电池就可以使用好几十年。铀238的半衰期为44.7亿年,钍232的半衰期为141亿年,这些放射性元素都能源源不断地给地球提供热能。

3,太阳月亮等天体的潮汐力导致的摩擦生热。

天体之间存在引力,而太阳和月亮的引力能够使地球发生形变,当它们之间相互运动时,地球内部的物质会发生相对运动,摩擦能够生热,这也能为地球内部提供热能。

木卫二就是一个很好的例子,木卫二主要由冰构成,木星及其卫星的潮汐力产生的热能使得木卫二的冰层下面存在液态海洋。

正是有这三种热源,即使地球不断由内向外散热,内部依然能够保持高温,而且地球外层岩石也足够保温。

散热速度慢是地球内部能够长期保持高温的另一原因

即便是滚烫的热油,长时间不加热,随着热量的流失也会冷却。如果把热油放进保温瓶中,则可以减缓油的降温速度。

地球内部这么热,除了热源,还与散热速度有关。地球内部处于高温高压状态,动辄上千摄氏度,而地球表面的温度却很低,这说明地球外层起到了一个很好的保温作用。同时,太阳的辐射热量也很难从地表传递到地球内部。

热量传递的方式有三种,分为热对流、热传导、热辐射。热对流主要发生在流体中,热传导主要发生在固体中,热辐射则是无接触的电磁辐射传热。地球悬浮在太空中,而太空几乎是真空,那么地球向外界传递热量的主要方式就是热辐射。此外,地球内部的热传递也很缓慢;虽然地球内部存在液态物质,但是在高压之下,热对流也十分缓慢。

上图就展示了地球内部向地表的传热情况。

地球内部本身就有热源,再加上地球外部圈层的保温作用,基本达到了一个热平衡状态,使地球内部在几十亿年之后仍然能够保持较高的温度。

地球核心处的温度为什么与太阳表面的温度相当?

太阳是一个大火球,更准确来说是一个等离子体。太阳核心处的温度高达1500万摄氏度,而太阳表面温度约为5500摄氏度。等离子体简单来说就是离子化的气体,给气态物质继续加热升温,就会发生电离,继而产生等离子体。我们看到的闪电就是等离子体。

地球核心处的温度高达6000摄氏度,这足够融化目前已知的所有物质。内地核依然能够保持固态,能够达到这么高的温度,都是超高压的杰作。

在标准大气压下,如果把气态氧气压缩成液氧,它的温度将会降至零下183摄氏度以下;继续加压,液氧将会变成固态氧,温度也会变得更低。而在绝热条件下,也就是没有与外界进行热交换的情况下,给液体加压,液体不仅会变为固态,温度还会升高。内燃机在压缩冲程时就用了这个原理进行点火。

地球内部就好似一个绝热体系,随着压力的增加,温度变得越来越高,也就很好理解了。地核主要由铁和镍构成,它们的熔点和沸点本来就高。在6000摄氏度的高温条件下,由于是超高压环境,物质依然保持固态也就不奇怪了。此时,物质的密度必然很高。

如果地球内部完全冷却,生命将不复存在

短期来看,发热与散热平衡,地球内部依然保持恒温状态;但是长期来看,从地球诞生那一刻,降温就是地球内部温度变化的长期趋势。忽略太阳的影响,再过数十亿年,地球内部的温度必然比现在低。

如果地球内部逐渐冷却,地壳运动将会变缓,火山将会逐渐变成死火山,这意味着火山和地震爆发的频率将会降低。随着外地核冷却,地球磁场也将会变弱。在太阳风的吹拂下,地球大气层会越来越薄、直至消失,地球上的水也会缓慢流失到太空中去,这将会威胁到地球上的生命。

如图所示,地球磁场能够屏蔽太阳风。

火星就是一个很好的例子。火星质量仅为地球质量的14%,但是很多方面跟地球很像。NASA的好几个火星探测车已经在火星上探索了20来年,发现火星上曾经也存在大量的液态水和浓厚的大气。火星由于内部热量散失的较快,又没有太多热源补充,导致内核冷却、磁场变弱。太阳系最大的火山“奥林匹斯山”就位于火星,如今已是死火山。在太阳风的作用下,火星上很大一部分水和大气都逃逸到太空中去了。当然,这和火星质量太小也有关系,火星引力的束缚力度比较弱。

现阶段来看,就算50多亿年后太阳衰老变成白矮星,地球内部也不会完全冷却,完全没必要担忧。

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