最近印度大选的“热”搜再次吸引了全球的目光,2024年6月1日,短短的24小时内,就有85人死于炎热相关疾病。
极端高温天气频发,很多人担心未来地球的夏天会不会越来越热,但是瑞士科学家却提出不同观点,未来地球的温度可能会越来越低,这是怎么回事呢?
地核在降温?地球从外向内,分别是由地壳,地幔,地核三部分构成。地壳就是地球固体外壳,也就是我们熟知的大地,主要由岩石组成,平均厚度为17千米,最大深度可达70千米,占到地球半径的0.26%。
再向下就是地幔,地幔是地球中体积最大、质量最大的一层,最大范围为2890千米,由大量熔融物质组成。地球的中心就是地核,地核的主要元素是铁和镍,不同的是内地核是固态,而外地核是液态,并且是缓慢流动的。
造成这种现象的原因是外核的压力比内核低,金属的熔点会受到压强的影响,压强越高,熔点也会越高。在内地核的极端压力下,铁镍合金的熔点会大幅度升高,所以内地核的金属呈固态。而外地核的压力相对较低,所以外地核的金属保持液态。地核不同深度处温度、压力的差异导致对流现象,形成了内外两种不同形态。
外地核的温度为4500℃~6000℃,内地核的温度为6100℃~6800℃,其热量来源主要是两方面。一方面是陨石撞击产生的热量,这部分热量约占地球内部总热量的10%。
当太阳诞生后,在引力的作用下,大量的尘埃与陨石相互吸引,层层堆叠组成了今天的地球,在相互撞击和挤压中,产生了大量的热量,被储存在地球的内部,直到今天都没有完全释放完。
另一方面是地球内部放射性元素的衰变,这也是地球热量的主要来源,大量的放射性元素不断放射性衰变,维持着地球的热量。
地核的最高温度在6800℃左右,地壳与地幔交界处的温度在690℃左右,地表温度在20℃左右,巨大温差表明地球的时刻在进行热传递,地核的热能会不停的经地幔传到地表。
由于靠热传导释放热的效果不好,为了让热从更好地表释放出去,于是形成了外核和地幔的对流现象,对流是地球内部散热的主要方式。地幔的对流一年大概达10 cm,液态外内核以每年10 km的速度对流。但是没有二者并没有混合对流现象,而是各自在内部形成大的对流冷却着地球。
受热的地幔也会向低温的地表进行对流,在地表冷却下来的部分形成了岩石板块,而板块并不是固定的,而是以每年数厘米的速度缓慢移动,也就是大家熟知的板块运动学说。地幔热量在地壳的薄弱处释放,就会造成了火山、地震等自然现象。
地核的研究与发现人类挖掘地球最深的一次是在1989年,苏联科学家进行了钻探实验,挖了一个深度达12262米的深洞,即使创造了历史记录,然而却连地壳的边都没摸到,那么人类是如何知道地球的内部构造的呢?
这就要提到地震波的应用,地震产生的震波可以传播得非常远,利用这一特性,我们可以把地球内部的结构成像出来,过程类似医院拍CT。通过研究震波传播速度,发现在地表下不同深度下其传播速度并不相同。
传播速度的明显变化说明在这一深度上下物质密度相差很大,因此推测出了地壳、地幔、地核的结构特点。通过实验发现地震波在地核中的传播速度与其在铁介质中传播速度接近,于是推测地核可能是由高压状态下的铁元素组成。
当然还有其他佐证,就是铁陨石。铁陨石被认为是分解后的小行星核部物质。科学家对铁陨石进行了大量的研究,其主要成分包括铁、镍和其他一些与铁有亲和性的元素,因此类推出地球内核的元素组成。
虽然可以用铁陨石类似代表地核,但是由于铁陨石来源的小行星终归不是地球,元素在超高压的变化毫无规律,因此还不能完全以铁陨石代表地核。
此外,通过模拟实验发现,实际地核比单纯的铁镍核的密度要低12~20%,因此猜想还有氧、硫、氢、碱金属其他轻元素物质也参与其中,虽然已经初步识别出地核内的元素种类,但是尚不能完全确定其具体含量。
上述方法是常规研究方法,而文章开头的瑞士科学家又另辟蹊径,采用了一种全新的方式。
瑞士科学家发现地核和地幔交界处常见的一种矿物,也就是布氏岩,地核和地幔之间的温度变化十分明显,因此专家推测导致热量被传到出去的中介物质就是布氏岩。
研究人员特地开发出一套复杂的系统,能在实验室中模拟布氏岩在地球的内部环境,从而推测其热导率。通过试验他们惊奇地发型布氏岩的导热系数大约是假设的 1.5 倍。这表明猜想是正确的,从地核到地幔的热传导比之前认为的要高很多,地核的冷却速度正在加快。
而且布氏岩冷却后会变成一种钙、钛元素组成的矿物质。这种矿物的导热效率比布氏岩更高,一旦代替布氏岩开始占据主导地位,地幔的冷却速度可能会进一步加快,这同样会加速地核的冷却速度,地球的未来会越来冷。
地球的未来会怎样?因为地幔的存在,地核的热量热量流失才被大幅减缓,但是地球总归是热量流失被大幅减缓,地核的冷却在所难免。
地核冷却后,将不再加热地表,岩石、水、空气都将失去温度来源,环境将变得越来越冷,地球可能会被大量冰层覆盖。地幔和地壳的移动将停止,没有了能量来源,火山不再喷发岩浆,地震也会消失,再也看不到这类地球奇观了。
最致命的是地球磁场的消失。如果地核冷却,没有热量传递到地幔,液态的外地核也将停止流动,不再产生电流,地球没电了进而导致地磁消失。没有了地球磁场的保护,来自太阳的带电粒子和太阳风将直接进入地球表层,这些带电粒子本身具有高能量、高辐射,对地球上的生物会产生致命伤害。
气候变化、磁场变化会引发一系列的连锁反应,现有的生态系统将完全紊乱,大部分生物种群包括人类都可能无法适应新的环境条件,从而导致物种大灭绝,地球会变得像现在的火星一样,永远归于沉寂。
不过,这都发生在非常遥远的未来。地核完全冷却是几十亿年以后的事情了,也许那时候的人类就像《流浪地球》一样,早就利用高科技改造好地球家园了。
结语上天容易入地难,虽然人类可以发射探测器到遥远的外太阳系,却很难对地球内部物质组成和结构有直观的认识。布氏岩的发现让我们对地球内部的认知有了更深刻的了解,这又是一次良好的探索,相信在不久的未来人类将完全揭开地核的面纱,真正的了解到我们脚下的这片土地。
参考资料:
大众科学.2020年第4期.地核里有什么大科技.百科新说.2020年10期地心探秘Murakami M教授、Goncharov A教授,2022年1月,《Earth and Planetary Science Letters》