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为什么地表低温不受内部高温影响? 精选

已有 6044 次阅读 2016-4-22 09:46 |系统分类:科普集锦

为什么地表低温不受内部高温影响?

 

岳中琦

 

据中国科学报2016年4月19日报道,在近日召开的香山科学会议第555次学术会议上,科学家们报告了他们在地热能研究上的新发现。报道指出,“对人类而言,地球是个不折不扣的“高烧星球”。地球体积中99%的温度超过1000摄氏度,只有不到0.1%体积的温度低于100摄氏度。 参见网站:http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2016/4/343751.shtm

那么,我不禁要再问:如果地球真是如报道所讲,地球是一个“高烧星球”,为什么地表低温不受内部1000摄氏度以上的高温影响呢(图1)?

我又回想起了,2013年8月22-23日,应邀参加的第80期新观点新学说学术沙龙http://blog.sciencenet.cn/blog-240687-706348.html。在会上,我做了关于地球表面温度不受地球内部高温影响的原因发言。以下是这个发言的记录。参见中国科协学会学术部在2014年6月出版的《地球演化与全球变暖》文集的第20、21和27页。以供大家参考!


现在地球处于什么状态?现在地表温度受什么控制?季节的变化是什么原因?地表温度和季节变化都是受太阳的远近控制。火山是局部区域的一种小范围的(几十千米或者几十米)的现象,大部分火山上面都是结冰的。现在的活火山,如富士山,地表温度都很低,它的口很小的,几百米、几千米。这两个不同的概念。夏天热,冬天冷,肯定是太阳远近控制。大气升温,300千米长,1千米宽,1千米厚的大气,增加1°C温度需要巨大的能量(3.74×1014焦耳或89.3千吨TNT)。整个地球大气与地面随太阳升温,比如从早上10°C到中午20°C,温度增加10°C,所吸收的能量更是巨大的。

按现在我们的地表与状态,地球内部温度是难以控制大气温度状态的,古代可能不一样。当今世界,气侯四季变化全球都一样的,肯定跟太阳远近相关,肯定是受太阳控制的。地表挖了十米以下是恒温层,夏天很凉的。地下温度不受季节变化,地下有一个恒温,这也是一个非常重要的现象。

地壳是什么东西?它很少向外散发大量热能,它的热流是一个恒定的,基本变化很小。现在来说,我们两个系统,一个是地球内部对土和岩石下面温度的改变,另一个是大气温度的改变,地球内部对大气温度变化影响很小。

现在加上以下两个资料:(1)根据F.T. Mackenzie and A. Lerman, 2006, 第62页,现在太阳辐射到地球的热通量比地球内部流出的地热通量(flux)大2900倍。(2Professor Edward Bullard, F.R.S. and University of Cambridge, wrote “The mean heat flows on land and at sea are about the same, but the radioactivities of typical oceanic rocks are much below those of continental rocks.” in his Concluding Remarks to  A Symposium on Continental Drift on Oct. 28,1965 (Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences, Vol. 258, No. 1088, pp. 322-323.) 

我们地壳下面应该有一个能使得保持地幔和地核有几千度高温状态的高压高密度保温层。否则,如果是按照岩浆来说,下面温度是1000°C或者800°C。如果按照海洋来说,洋壳下部温度800 ~ 1000°C,洋壳7千米厚,每千米地温梯度是100°C,比现在实际情况每千米地温梯度30°C大多了。地壳或者说在它与地幔之间,应该有一个保温层,保持了地幔地核温度不往外跑,或者使跑的速度均匀。否则,岩石导热强度很高,且人们推断出来一个很厚的岩石圈。岩石圈不同于地壳,地壳是一个固体岩石圈,而岩石圈包括部分地壳和上地幔,底部还有一个软流层。这里有很多的矛盾现象,不能够解释我们现在地表的温度不受内部控制,比如冰川带,南北两极。南北两极都是冰,那么厚的冰,那么多年。如果下面温度那么高,怎么会有两极的冰,怎么有那么多年?

我们地壳下部必然有一个保温层、绝热层,使地幔地核的热能不能上来。它什么时候上来?它上来的时候,就是开裂。开裂的时候,这个保温层被破坏了,这时候热能才能跑出来。最好的保温材料是什么材料?真空是最好的隔热层,另一个是气体。气体保温能力比固体高多了,抗热导率也高多了。

我根据这个分析判断,在地壳下面应该有一个温度相对稳定且广泛分布的气体层(莫合面)。地壳地表面的温度不应该受到下面温度的影响,这个影响也是缓慢的,我们一般感觉不到的。唐教授讲的“锅盖理论”,爆破的温度很高,而是通过气体打破的。锅盖下面的物质肯定要生成气,气化以后,比如水蒸气,将锅盖顶开了,高压锅放气。地幔地核温度高,必然产生很多气体,必然聚在地壳下面,因为下地壳岩石受很大水平压力的,它是低空隙度的。地壳就是一个球形闭圈,它必然是很致密的,它使得下部的地幔或者地核高温高压生成气聚集在地球内部。所以在地壳下部有一个很好的隔热层,这个层不需要很厚。

地质学家或者地球物理科学家,这么多年来,对于地球内部的气体作用研究的不多。我们认为地球是固体地球,我们看的东西是固体的和流体(液体)的,但是气体看不见。其实气体无处不在。大气圈怎么来的?就是地球下部的这些气体变来的。现在我们讲的气候变化,都是气体温度变化。我们可以大胆设想一下,如果在地壳下部存在一层气圈,几千公里的大洋板块可以稳当当地放在这个气圈上,这个气体密度是很大的,它的密度应该比水要大(或相当),温度相当比较高一点。它是一个化学反应与热能产生的气体,它能给地球外部大气圈提供新的气体物质,如火山爆发使一个大气圈气体物质增加。

我们地球非常美妙,有一个大气圈,大气圈是气体,这个气体在真空中要漏气的,不断消失(图2。我们现在讲的能源消失,不是物质的消失。大气的厚度与压强是变化的。月亮没有大气圈的,但月亮有引力场的。因此,月亮大气可能完全跑掉到真空去了,它的内部早已无气体补充了。我们地球内部产生了很多气体,这些气体不断排出、溢出到大气圈内,补充跑到外空的气体。这样大气圈气体才能平衡。我们现在的大气温度,或者说大气压强与成分,是地球内部气体不断补充的,是光合作用与化学反应变化得到的。地球内部出来的主要气体不一定是氧气,也不一定是二氧化碳,应该是甲烷。甲烷跟氧气反应形成二氧化碳和水,二氧化碳与植物再通过光合作用形成氧气。大气圈存在一个散气的过程,在地表几千公里以外,肯定没有重力引力了,大气圈不断地漏气,不断地散发气体物质到外部真空去。

我们现在看大气圈不变,因为我们看不见它的变化。几万年到几千万年前,古代大气圈跟现在大气圈应该是不一样。所以说,我们地球有很多变化、渐变与突变,跟气体散发有关,跟温度有关,气体是受地球内部影响的。地球内部必然要供应很多气体,比如火山气体和其它气体。现在大气圈的空气质量大概是5×1018千克。这样大量气体在几万年到几十亿年会跑掉到外部真空去,一定有损失。我就想,我们在考虑这个问题时,大气是漏气的,大气是散发热量的。这样考虑问题就会完全不一样的。所以,必须讲守恒问题,物质能量守恒,物质质量守恒,物质守恒是很必然的事情,首先物质要守恒。

2016422940分转写成于香港大学黄克競楼办公室

今天是第46次世界地球日(46thEarth Day





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