地核为什么和太阳一样热东巴纸:一张“有故事的纸”
第13版:科技生活·探索
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地核为什么和太阳一样热
东巴纸:一张“有故事的纸”
     
 
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2021 年 03 月 04 日 星期 放大 缩小 默认  

地核为什么和太阳一样热

  很难想象我们地球的核心有一个和太阳表面温度相当的“小太阳”,温度大约是6000K,自地球形成以来至今已经45亿年的历史了,它依然没有完全冷却。 

  地球上的板块漂移、地震、火山活动、地热、磁场都是高温液态核心存在的证据,说明了地球现在还很活跃,正值壮年,而一颗已经“死亡”的星球,也就是核心完全冷却的星球,并没有以上的现象。那么为什么地球的内核还没有冷却?它的能量又来自哪里?

  原始能量的来源

  45亿年前的太阳系还是一个原始的行星盘,里面没有任何的天体,但其中包含着丰富的元素,涵盖整个元素周期表,当然这些元素已经在气体云中形成了各种化学分子,这些都是上一代恒星死亡后留下的物质。

  在引力的作用下,那些密度更高的地方就会聚集越来越多的物质形成“星子”,可以理解为天体的胚胎,很显然太阳是吸引物质最多、最快的天体,它的质量占到了整个太阳系质量的99.8%。

  当太阳在足够的温度和压力下点燃核聚变以后,辐射压力也就是太阳风会将大量的轻元素吹离自己,在内太阳系则会保留更多的重元素,外太阳则会留下大量的氢和氦。所以在内太阳就形成了一些岩石天体,这些天体的外层只有少量的大气,例如金星、地球和火星,水星由于质量太小,且离太阳太近,它的引力留不住轻飘飘的大气。

  而在行星形成的时候,大量的物质团块会以非常高的速度向一块聚集、碰撞,这个过程就会释放出大量的引力势能,并且转化为热量。因此地球刚形成的时候,完全就是一颗熔岩的世界,那时不仅地核是熔融的液态,就连地表都是布满高温岩浆。

  这就是地核最初热量的来源,来自引力势能的释放。当一些尘埃落定以后,经过数亿年的时间,太阳系就不再是那个最开始尘土飞扬的混乱模样,而是形成了一个各大天体绕自己轨道稳定运行的行星系统。

  未来地球会彻底冷却吗

  其实地球核心的能量除了最初形成时留下的以外,一直以来地球还有源源不断的能量供应,就是核心深处的重元素衰变产生的热量。

  在引力的作用下,重元素会沉降,氢元素会上升,所以在地球的内部蕴含着大量的重元素,理论上只要比铅重的元素都会在有限的时间内发生衰变,直到变成铅。所以在45亿年间,地球核心一直经历着元素的衰变,这种缓慢的核反应一直给地球核心提供着能量。

  但是这种能量的输入非常小,远没有地球向外空辐射的热量多,因此地球还是在持续的冷却,未来地球也会像月球、火星一样变成一颗死亡的星球。但是这个时间尺度非常长,可能需要几百亿年的时间。

  人类没有钻透地球,如何知道地球的结构?如何知道地球有一个液态核心?

  人类最深的钻孔一万多米,相对于地球12742公里的直径来说,就像是擦破了地球的一层皮而已,我们根本看不到地底的真实世界。我们能够了解地球结构的办法只有通过地震波间接地探测。

  地震波分为P波和S波,也就是纵波和横波,纵波是压缩波,震荡的方向跟波传播的方向一致;横波就像是在水面中扩散的涟漪一样,震荡的方向跟波传播的方向垂直。等地球一点发生地震的时候,这两种波会从一个点向四周传播,S波无法通过液态外核,会被彻底吸收掉,而P波在液态外核中传播的时候会发生折射,通过从地球各处测量地震波,就能够知道地球中心有一个熔融的液态核心,也能知道它的大小。

  地球核心是从内向外逐渐变为固态的,由于固态比液态密度大,体积就会更小,因此当更多的外核变为固态的时候,地球核心就会收缩,进而引发整个地球板块的沉降,引起地震。

  地球磁场是怎么来的

  地球磁场的来源需要两个因素同时存在,熔融的地核以及星球的自转,例如火星有自转但没有熔融的地核,所以它就没有磁场;金星有熔融的地核,但是它的自转太慢了,所以也没有像地球这样强的磁场。

  地球熔融的外核可以电离很多原子,在引力的作用下带正电原子核和带负电的电子就会分层,在地核形成带电粒子层,而地球的自转就为这些带电粒子提供了运动,因此就产生电流,所以我们常说地球就是一台发电机。有电流当然就有了磁场,毕竟电磁是相互共生的关系。

  所以总结起来,地球的最初能量来自形成时期的引力势能释放,现在还没有冷却是因为地球直径够大,具有一定保存热量的能力,而且宇宙中的热量损失只能通过热辐射的方式进行,因此这就大大降低了地球冷却的速度,而磁场的产生不仅依赖于熔融的地核,当然它也会消耗地球自转的动能。

  (本报综合)

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