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地球内部的高温从哪儿来?

已有 12877 次阅读 2019-3-23 21:41 |系统分类:科研笔记

这个问题很幼稚,老百姓说,应该不是太阳啊?但搞地球科学的人笃定地认为,地球天生就是这样,刚开始很热,后来在逐渐变冷,且地球内部无时无刻不向地表释放热量,从而产生地温梯度。

碰巧,今天在《地壳运动》微信群里,讨论到地球内部放射性的能量时,提到南京大学的张祖还教授提出一个惊人的结论,说地球内部存在大量的放射性热源,若地表没好好散热的话,地壳可能会熔化。后来查了一下,这个计算不是出自张祖还教授,而是侯德封教授计算的。但我的直觉是,太阳辐射对应地球的影响应该是最强的,太阳照射都没将地壳熔化了,这个不太确定的放射性能量就能将地壳熔化了?后来做了一个对比,侯教授所计算的放射性能量只占地球接收太阳能辐射的1/2044, 可以说是微不足道。这里先来个段子:

   赤道说:我家地暖很热;

   北极说:算了吧,你不仗着你太阳干爹,家里早冻得跟狗似的;我家地暖好,靠自已努力,手就只有1km表皮冻僵了,我能坚持;

   南极说:北极,别硬撑了,我有4km表皮都冻上了,腿脚不灵了;

   冥王星说:你们站着说活不腰疼,再怎么着你们还是有太阳关照,我离太阳太远,冻的跟霍金似的,只有神经细胞还能活动。 

地球接收太阳能是5520x10^21焦耳,用现今平均大地热流计算的由地球内部向外释放热量为1.39x10^21焦耳,太阳能是1000倍。如下图所示:

111.jpg

太阳一打哆嗦,辐射能稍有变化,大气热量收支不平衡了,可能就导致雪球事件,或极热(推断)。张祖还只是引用了侯教授的计算结论,他未做分析,仅凭推断的几句话,说地壳在什么条件下被熔化,没有做地表热量收支平衡的计算,有点危言耸听了;相反,侯教授计算完这个放射性能量后,并没有说熔化的事儿。大气热量收支需要考虑很多因素。既然太阳这么强,于是突发奇想,做了个图,为九大行星的地表温度图,如下图所示,从图中看出,随着离太阳的距离的越远,气温越低。

    问题来了,9大行星的温度,从外观上看,似乎严格的与太阳距离有关,地球内部的热能,会不会是被太阳烤出来的?可能我这个想法有点幼稚,和传统上认识完全不同。传统观点认为,地球内部的热很大的,且是由内向外在不停地释放热量,在传导热。地质家认为早期地球是高温熔融状态,逐步冷却下来的才成现在的样子。

    但转念一想,毕竟行星都是岩石星球,它们的成分应该相似才对啊,若是有放射性生热,其它星球也该有才对。太阳系诞生这么多亿年,地球内部这点热就这样难散发吗?想像一下,若太阳系诞生之初,九大行星都是熔化状态,即九个火球转着太阳转再做一个推断,既然地球的热是放射性产生的,那么水星、金星比地热更热,它的放射性元素是不是比地球多得多?显然这个推理不成立

    于是,给出这样一个推断:9大行星的内部热量,来自于太阳能。比地球更靠近的水星、金星,受太阳的影响,象烤全羊一样,转着烤,烤透了,地表温度很高,400度以上,内部都烤得稀巴烂;地球比它们远一点,半熟,里面热,外焦(岩石圈)里嫩(岩浆),毕竟烤了40亿年了;而比地球离太阳远的的星球,如火星、木星、土星等,怎么烤,都没用,因为离太阳远啊,接收的太阳能太少了,这些星球内部可能一直都是透心凉,不会因为内部“放射性”物质而使星球暖和起来,这时暂未考虑是否有大气。以冥王星为例,地球接收到的太阳能是地球内部向外的放热的1000倍,而冥王星接收到的太阳能,只有这个地球内部放热量的0.00026%,那,这是相当地小了。

    这里有2个问题,中国地质大学(武汉)唐教授质疑,这个说法可能违背热力学第二定律,热的传导方向的规律。太阳照在地球表面的温度不过几十度,居然能将地球内部照出几千度来;中国地质大学(北京)罗教授提出,2005年8月10日在太平洋实测,太阳辐射对海水温度影响很小,即太阳辐射对地球的加热无贡献。的确,这尴尬了。再找些依据吧,1)微波、红外、中微子等,家里用的微波炉,在烤的时候你感觉不到温度,但烤一会儿温度就高了;微波可以穿透植被、河流,对深部加热;爆米花的原理是,底部加热,温度并不高,但钢瓶里压力增大,里面的温度也会增加;太阳辐射能不是传导能,不能按温度高低来计算。2)地球北极的永冻层约1000米,地表平均地温-15度,南极冰川厚4300米,地表平均地温-30度,这两个地区接收太阳能少,则地温的0度线向深部移动。即,这些地区失去了太阳的关怀,4000米至地表,就冰冻三尺了,这一部分地球内部的热量显然没法给它温暖,若将地球转90度让南北极正对太阳自转,这4000米厚的冰又变成和赤道一样温暖如春了,这增加的热量,是地球内部给的,还是太阳给的?可以推断,火星平均温度-68度,其地温0度线应更向下;海王星地表-200度,长期接收太阳能少而冷,其地心的温度也不会高到哪儿去,毕竟是岩石星球,按线性内插法,冥王星的0度线,至少是地表40km以下,随时间推移,0度线会继续向下移,直到其核心冷却。如下图所示:

222.jpg

    如果没有太阳,地球内部的热能可维持多久?

    这里涉及一个参数,大地热流。若没有太阳时,真实的大地热流是多少?因为大地热流与实测顶底温差成正比,与热导率成正比。若顶底温差小了,热流自然小了。在陆区,温差较小,实测热流小;而海洋区海底温是0度,温差大,则其热流也大。这种推测是有一些道理的,从我国第四版热流数据(姜光政,2016),去掉塔里木、准噶尔低温盆地,可以拟合出热流与纬度的关系,而年平均地温与纬度有关,于是可以直接拟合出大地热流与平均地温的关系曲线,从而求取其斜率,如下图所示,可以得出,气温越小热流越大。

222.jpg

    再进行拟合,可以得到无太阳影响时,气温在-200度时的热流,为509mW/m2。

222.jpg

    显然,这个拟合太保守,不能用平均值来拟合,这个拟合是受太阳影响的结果。

    现在在陆区,若按现在实测的大陆区平均热流65mW/m2,海域热流96mW/m2,全球86mW/m2,来计算,年热散失量为44x10^12w,需要72亿年才可散失完。但事实上,目前所测的热流是受太阳的影响。如下图所示(据Davies,2013)。

222.jpg

    要去掉太阳的影响,计算真实的热流,只有两种情况,一种是观察海洋地区的大陆热流,海洋地区的大地热流低于海域,可能的原因是,海底温度为0度,这样测出来的热流大些;南北极的热流也接近于真实纯大地热流。陆区平均地温15度,热流为65mw/m2; 海底0度,最大热流为1237mw/m2,可以外推,若去掉太阳,这时地表为-200度时,其热流应为16830mw/m2,这时得:

    若按海洋最高热流来散失热量,1237mW/m2,500Ma,则地球内部热散失光;

    若按16830mW/m2,则只需要36.8Ma。

    由此可见,地球内部的热散失速度较快,若没有太阳的补给,地球内部的热难以为继。可以得出,地球内部的热量,来源于太阳能。

    从磁场角度,水星、金星无磁场,一种解释是它们自转太慢,水星58天、金星243天,但更合理的解释是,它们温度太高,超过居里点,即使高速自转,也可能无磁场。地球岩石圈薄,磁场中等,而更冷的木星,由于温度比地球低,岩石圈比地球厚得多,其磁场比地球强14倍。

    从行星内部温度角度,离太阳远的行星内部,是不是“冰透了”?是的,比地球远19倍的天王星,质量是地球的13倍,其内核是冰和岩石、中间为冰的地函、外部为氢/氦组成的外壳;比太阳远30倍的海王星,其表面覆盖着延绵几千公里厚的冰层;离太阳最远的,远39000倍的冥王星,2/3是岩石,1/3是冰。

    所以,上面的推测是合理的。


    附件:下面附比较放射性和太阳能的直观公式

每秒到达地球的太阳能为多少焦耳?1.75×1017焦耳/秒,相当于一年中全球总发电量的86000倍多。换算成年,则为55188000×1017焦耳/=55188×1020焦耳/年。

侯德封(1973,地球物质演变的能源问题,地质科学,2: 89-102)计算了地球内部核能的能量为6.5×1020/年,张祖还1986年文章(1986,地热积累和释放与地壳运动和地球演-自然界矛盾统一的一个重要表现,矿物岩石地球化学通报,61-62)引用了他的成果。1(cal)=4.1858518焦耳(J),相当于27.2×1020卡焦耳/年。




小平同志2019年3月21日写于北京

2019年3月28日/29日修改。

2019年4月14日添加了行星温度信息


中国地质大学(北京)能源学院




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