为什么地核会这么热？数理模型计算结果证实

为什么地核会这么热？

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　　新浪科技讯 北京时间9月3日消息，地核位于地球的最内部，具有极高的温度，并且是自从地球诞生以来就一直如此。而且，这一炽热的内核正是我们能够在这个星球上生存的原因！听起来似乎有些奇怪，但的确如此——地核对于我们的生存至关重要。

　　在深入到地球的最深处之前，让我们试着多了解一点地球各个层次的结构。

　　分层的地球

　　尽管人类的科技发展已经可以拍下黑洞的图像，但要揭开我们自己星球的神秘面纱却并非易事。不过，通过对火山爆发带来的岩石进行分析，以及对地震波（地震、火山爆发或其他扰动在地球内部产生的波）的研究，科学家对地球的内部结构已经有了相当程度的了解。

　　地球并不是一个均匀的固体，而是分成了许多层。地球是在大约46亿年前太阳系诞生时形成的。最初，它只是一个气体星球，但随着气体相互作用，不同密度的物质开始分离，地球逐渐变成了今天的样子——一颗内部类似洋葱的巨大岩石行星。

地球的分层结构。简而言之，地核的高温是由于储存的原始热量以及放射性衰变造成的

　　地球的最外层是地壳。这是我们生活的地方，我们在此建造房屋、种植树木，进行各种各样的生产活动。与其他层相比，地壳非常薄。海洋地壳的平均厚度约8千米，主要由玄武岩和陆壳组成；大陆地壳的平均厚度约32千米，主要由花岗岩组成。

　　地壳的下一层叫做地幔。这一层的厚度约为2900千米。上地幔坚硬而易碎，下地幔则像半熔融的岩石一样流动。地幔的上层与地壳结合在一起，称为岩石圈，而半熔融层则称为软流圈，岩石圈就在软流圈上方滑动。

　　地幔再往下就是地核，地核分为两个部分——外核和内核。外核主要由铁和镍组成，完全呈液态。它的温度非常高，外侧约4400摄氏度，向内不断增加，在接近内核处达到约6100摄氏度。外核大约有2300千米厚。

　　穿过外核，我们就到达了地球最热的部分——内核。内核的温度高得难以想象，从5000到7200摄氏度不等。最令人惊讶的是，即使在如此高的温度下，内核仍然完全是固体的，厚度大约有1200千米。

地球各个构造层的剖面图

　　为什么地核会这么热？

　　对于生活在地壳上的人类来说，很难想象地核的温度会比太阳表面的温度还要高。真正的问题也随之而来，46亿年前的地球是如何产生如此多热量的？据研究，造成地核如此灼热的原因主要有两个。

　　首先，这源于地球形成时的吸积过程。当太阳系形成时，地球也开始绕着太阳运行。在强大的引力作用下，一些陨石和其他物体聚集在一起，形成了巨大的行星。每当这种吸积过程发生时，就会产生巨大的热量。

地球是通过吸积过程形成的

　　行星形成过程结束后，物质开始根据密度分成不同的层。密度最大的物质沉淀在地核中，这一沉淀过程也会产生大量热量。时至今日，地球的这些原始热量仍然存在于地核中，因为地球在形成的时候无法将其迅速驱散，而现在这些热量已经稳定下来。热量只能通过地壳消散，但由于板块构造如同毯子一样，而地幔又不是一个特别好的热输送器，因此这些热量就会在地核停留很长一段时间。

　　地核高温的第二个主要原因是放射性元素（比如铀）的衰变。放射性衰变导致了子同位素的形成，而这是一个放热过程。从放射性衰变得到的热量与原始热量之间存在微小的区别。有研究认为，原始热量主要集中在地核，而放射性衰变释放的热量在地球的其他层都有分布。

地核的温度甚至比太阳的表面温度还高

　　那么，地核真的对我们有如此重要吗？

　　地核的重要性

　　我们还无法直接观测地核，但通过分析来自其他行星核心的铁陨石，以及对地球物理化学性质的研究，可以推测地核也是由铁和镍组成。虽然地核的温度堪比太阳，但对于维持地球上的生命至关重要。外核是液态的，因此一直在流动。这种运动所产生的对流便是地球磁场形成的原因。这个磁场反过来又保护了地球生命免受太阳耀斑的影响，维持了适宜居住的大气层。另一方面，内核有助于磁场的稳定。

　　外核的对流，以及外核产生的热量会使其上方的构造发生运动，特别是地幔。这种运动有助于板块移动，从而导致大陆移动和新的陆地地块产生。

　　结论

　　地核不仅对人类，而且对包括动植物在内的所有生物的生存都至关重要。如果地核温度降低，影响其固体或液体的状态，那么生命可能就将无法生存或茁壮成长。这就是地核所起到的重要的平衡作用。（任天）

https://tech.sina.com.cn/d/n/2020-09-03/doc-iivhuipp2217235.shtml

重力分异导致地球圈层差异旋转

地球各圈层成分的不同，是重力分异造成的，地球表面的重物质在重力作用下向地心集中的同时，地球动能也向地核集中，加快了内核的自转速度，减慢了地壳和地幔的自转速度，形成了不同圈层旋转速度的差异，其中内核旋转最快，地壳最慢，这就造成了重力分异使地球自转变慢的假象。地震波测量表明，内核每年相对东向旋转约0.4°~1.8°。当核幔角动量交换将动能转变为热能积累在核幔边界时，由于重力分异导致地球转动惯量减少，地球各圈层的平均转速将加快。

模型计算表明，早期均匀地球的初始自转角速度ω₀为4.36×10^-4rad/s，自转动能为9.2×10³⁰J。重力分异使一个均匀自转的地球变为分层差异旋转的地球，由于重力位能降低，位能减少量为2.3×10³¹J，其中1.05×10³¹J转变为地核的动能，1.25×10³¹J转变为热能使地球增温1500℃，分层差异旋转的地球自转动能增加到1.97×10³¹J。通过核幔角动量交换，地球各圈层最终以统一的自转角速度1.2w₀自转，地核输出自转动能1.25×10³¹J，其中，3.85×10³⁰J使地壳和地幔的动能增大，8.66×10³⁰J变为热能积累在核幔边界。这是外核是地球内部唯一的液态圈层的原因。

表1  重力分异2层地球模型

Table 1  Two-layer earth model of gravitationaldifferentiation

表2  重力分异8层地球模型

Table 2  Eight-layer earth model of gravitationaldifferentiation

注：* 表示圈层角动量交换后地球各圈层的统一角速度.

根据表1的计算数据，均匀地球通过重力分异演化为2层不同密度地球，顶层角速度减少为原来的0.9倍，底层角速度增大到原来的4倍；旋转动能由原来的9.2×10³⁰J，增加到12.76×10³⁰J；转动惯量由原来的9.7078×10⁴⁴g·cm²，减少为9.4525×10⁴⁴g·cm²；通过角动量交换，外层加速，内层减速，内外两层以1.0265 w₀的角速度统一旋转，有3.29341×10³⁰J的自转动能变为热能积累在内外圈层的边界。

根据表2的计算数据，均匀地球通过重力分异演化为8层不同密度地球，顶层角速度减少为原来的0.602倍，底层角速度增大到原来的27.405倍；旋转动能由原来的9.2×10³⁰J，增加到19.67×10³⁰J；转动惯量由原来的9.7078×10⁴⁴g·cm²，减少为8.11693×10⁴⁴g·cm²；通过角动量交换，外层加速，内层减速，内外两层以1.1949 w₀的角速度统一旋转，有8.65733×10³⁰J的自转动能变为热能积累在核幔边界，这是外核成为地球内部唯一的液态圈层的原因。

比较表2和表3，2层地球变为8层地球，统一角速度由1.0265 w₀变为1.1949w₀；有5.36392×10³⁰J的自转动能变为热能积累在核幔边界。核幔边界是密度增减变化的分界面，是压力增减变化的分界面，是转动惯量增减变化的分界面，是自转动能增减变化的分界面，因此，它既是动能交换的界面，也是热能交换的界面，其物理学意义不容忽视。因为内核的密度最大，接近极限，不可能继续分层，所以8层地球和18层地球模型各项典型数据差别不大，这表明地球重力分异的大规模能量释放过程基本结束。

除了重力分异外，潮汐摩擦使地壳和地幔自转速度减慢，为核幔差异旋转提供新的动力。

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参考文献

杨学祥, 陈殿友.地球固体内核快速自转的理论证明和实测证实. 西北地震学报. 1996,18(4):82.

徐道一, 杨正宗, 张勤文等. 天文地质学概论. 北京: 地质出版社, 1983. 38, 181-195, 224.

Xu D Y, Yang Z Z, Zhang Q W, et al. Anintroduction to astrogeology. Beijing:Geological Publishing House (in Chinese), 1983. 38, 181-195, 224.

杨学祥, 陈震, 刘淑琴, 等. 地球内核快速旋转的发现与全球变化的轨道效应. 地学前缘, 1997,4(1): 187~193. （Yang X X,Chen Z, Liu S Q, et al. The discovery of fast rotation of the earth’s innercore and orbital effect of global changes (in Chinese). Earth ScienceFrontiers, 1997, 4(1): 187~193）

杨学祥, 陈殿友. 地核的动力作用. 地球物理学进展. 1996,11(1):68-74.（Yang X X,Chen D Y. Action of the earth core (in Chinese). Progress in Geophysics, 1996,11(1): 68~74）.

Song X D, Richards P G. Seismologicalevidence for differential rotation of the Earth’s inner core [J]. Nature, 1966,382: 221-224.

杨学祥, 张玺云. 热幔柱的启动动力. 世界地质, 1996,15(2): 68-74.

Yang X X, Zhang X Y. Staring power ofplumes. Global Geology (in Chinese), 1996, 15(2): 68-74.

杨冬红, 杨学祥. 地球自转速度变化规律的研究和计算模型. 地球物理学进展, 2013，28（1）：58-70 .(YangD H, Yang X X. Study and model on variation of Earth’s Rotation speed. Progress inGeophysics (in Chinese), 2013, 28（1）：58-70.)

杨学祥, 陈殿友. 地球差异旋转动力学. 长春: 吉林大学出版社, 1998, 2, 99~104, 196~198（Yang X X, Chen D Y. Geodynamics ofthe Earth’s differential rotation and revolution (in Chinese). Changchun: JilinUniversity Press, 1998, 2, 99~104, 196~198）

杨冬红, 杨学祥, 刘财. 2004年12月26日印尼地震海啸与全球低温. 地球物理学进展, 2006, 21(3): 1023~1027（Yang D H, Yang X X, Liu C. Globallow temperature, earthquake and tsunami (Dec. 26, 2004) in Indonesia. Progressin Geophysics (in Chinese), 2006, 21(3): 1023~1027）