历经亿散热地核还有高温温度来自哪里

  • 日期:07-20
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  地球形成之初的几亿年时间里,太阳系尚处一片混沌,地球经常受到小行星及天体碎片的撞击,地球俨然是一个岩浆熔炉。

  然在经历40多亿年的散热冷却,地核仍有3,000~6,000℃的高温。即使是接近地表100多公里的软流层,还有700℃~1,200℃的熔岩。难道是地层的特殊构造,达到如此完美的保温效果吗?

  不可否认,长达几千公里的厚厚地层,确实有一定保温作用。地壳浅层是变温层,1~2m厚度的地层受日温影响显著,15~30m厚度的地层受年温影响显著。

  变温层以下是薄薄的恒温层,受日温和地热的综合影响,温度基本保持不变(恒温≠各纬度恒温层温度都相等)。

  再下是受地热影响明显的增温层,温度随深度的增加而增加,到地下1,000公里左右的地幔中层,温度达到约2,000℃,到达地下2,800公里左右的古登堡界面,温度达到约3,000℃。

  

  地心的高温,仅靠地层的保温远远不够,关键还在于自身能源源不断产生热量。其自主产热,原因有三:

  地层和大气层一样,密度并不均匀,地壳的物质密度一般为2.6—2.9g/cm,上地幔的平均密度为3.5g/cm,下地幔层5.1g/cm,外核和内核的则分别达到11g/cm和12.5g/cm。

  也就是说,地层越往下,压力(压强 后同)增加的越快。接近地表压力,可以近似为一个标准大气压;地下100m深度,压力已超过25个大气压;到了软流层(火山岩浆层),达到1万个大气压;地心外核区域,136万个大气压;地心内核,则增至360万个大气压。

  瑞典皇家理工学院2017年2月发表的一项研究表示,常规环境中铁的晶体结构为体心立方晶格(如下图左),每个铁原子与相邻8个原子接触。当温度超过1,538℃时,铁熔化失去晶体结构。但在地心360万个大气压环境中,即使温度达到6,000℃,铁还可以保持晶体结构,不过其排布形式为密排面心六方晶格(如下图右),每个铁原子与相邻12个原子接触。

  

  强大压力改变了物质晶体结构,原子外电子之间的距离缩短,彼此发生碰撞的几率大大提高。原子排列密集,体积减小,势能减小,势能转化为内能,产生高温。

  当然,这种体积减小不会持续发生,也就是说仅靠这一个条件,还没法保持地心温度的居高不下。

  地球围绕太阳公转,固态内核在液态外核环境中并不是始终保持地球正中心位置,受到太阳万有引力吸引,会始终偏向太阳的一侧。

  

  内核与外核的搅拌摩擦,会产生大量的热,这是一个长期持久的过程。其实也不单单是内核与外核之间有这种摩擦,下地幔与外核之间的过渡层、上地幔与地壳之间的过渡层,由于物质密度不均匀均匀且存在液态或熔融态流体,这当中也广泛出现类似的摩擦生热。

  月球质量比太阳小太多,但耐不住“近水楼台”。大海的潮起潮落,就是月球潮汐引力的很好证明。因而,这种摩擦往往都是太阳与月球的综合引力表现。因而扰动摩擦幅度,会因两者位置而更加明显。

  虽然这一过程能持久生热,但单靠这一方式也不足以平衡地球热量的散发。

  放射物质钍、锕、铀、镭、钋、氡等,能自然衰变并产生大量的热,而这些物质又广泛分布在地壳及以下地层。

  以铀为例,海水中铀含量约百万分之0.003,地壳中铀含量约百万分之2.5,而在地壳下一层(距地表20km)内,铀的净含量就约达1.3×10^14吨。地球铀储量比人们常见的银、汞含量还要高。1千克“铀-235”完全裂变释放的热量,相当于2,700吨媒完全燃烧释放的热量。

  

  根据一篇2015年3月发表在英国《自然地球科学》杂志(网络版)上的研究,地球上仅铀和钍产生的热量,就相当于功率约为210亿千瓦的发电机持续供热效果。地下持续高温的54%热量,就来源于这些天然放射性物质的裂变。

  地球自主产生的热量,单靠热辐射不足以平衡内部的高温高压,还要通过火山、(火山)地震、热泉等方式,向外释放所蓄积的部分能量。

  达到地表的热能,通过热辐射等形式释放到外太空。地球在几十亿年的进程中,基本达到一个动态热平衡。也就是说,即使再过几十亿年,只要地球还在,其内部温度依然会如此之高。