如今我们大家都知道,地球内部的温度很高,地心大概有5000多度,地心和地壳之间还有很长的距离,这当中的结构也很复杂。可是这就带来一个问题,为什么地球都有45亿年的历史了,还没有完全凉透?需要多久才能凉透呢?
探索地球的内部
其实人类对于地球的了解远不如对于太阳的了解,一直以来,地球的结构就是历代学者们很头疼的问题,因为它是真的是一个很复杂的问题。比如:在牛顿时代,有个叫做哈雷的学者,是牛顿的迷弟,他曾经预测出一种彗星的周期,因此,这类彗星也被叫做哈雷彗星。
他就提出,地球应该是空心的,这也被称为地球空洞说。其实和他有类似想法的学者有很多。其实这完全就是纯粹的猜测,并没什么过硬的证据。毕竟以几百年前的技术来看,想要探测到地球内部几乎是一件不可能的事情。
后来,到了上世纪,苏联和美国相继的挖坑,希望可以尽量挖得足够深。美国在挖到8000多米的时候就放弃了,而苏联人这挖到了12262米,这也被为科拉超深钻孔。挖到这个程度时,温度已经很高很高,而且岩石层也加固。当时钻头十分昂贵,继续钻下去并不容易,于是就放弃了。
人类通过“挖坑”这个技术来探索地球结构也基本上就到这个程度,后来确实有比科拉超深钻孔更深的,但是也没有深多少。
那我们现在是如何探索地球内部的呢?
其实利用的叫做地震波。所谓的地震波指的是从地震的源头向四周传播的振动,在地震的时候,地震源会产生辐射向周围的弹性波。科学家通过分析每次出现的地震波的特点,就可以逐渐描绘出地球的内部结构。这也是目前我们认识地球内部的主要方式之一。
可能你要说了,这个方法靠谱吗?
其实目前来看,还是比较靠谱的。许多人可能会觉得不是亲眼所见,就算不上靠谱。其实很多事情和破案很像,我们不也许会出现在案发现场,那我们如何给凶手定罪?其实利用的就是搜集足够的证据来证明。地震波实际上的意思就是地球结构的证据。
地球的能量来源
知道了人类如何了解到地球结构的方式,我们继续来讲讲为什么地球不会凉透?其实和地球结构是息息相关的。不过,说这样的一个问题前,我们得先搞清楚地球的能量从哪来?
具体来说是这样的,有20%的能量来自于地球形成之初,构成地球的物质的引力势能转化成的热能。这是由于当时的物质来自于四面八方,它们在引力坍缩下,向中心聚拢,这时,这些物质的引力势能就会在这样的一个过程中转化成热能。
除了之外,从地球形成之后一直持续至今,一直在作为主力输出的是地球内部的放射性元素衰变所产生的热能,这部分占据的80%。(这里补充一句,其实潮汐力导致的摩擦也会产生热能,但这部分占比很小很小。)
放射性元素的衰变是在原子核层面上发生的反应。我们都知道,原子核是由质子和中子构成的。质子和中子能够被束缚在原子核内,是因为有核力的存在。
但是我们要知道的是,核力和引力是不同的,核力是有作用范围的,核子数多了就会不够稳定。原子核内的质子数核中子数,是由往最低能量状态发展的。所以,原子序数非常大的元素都会有向铁原子核的方向发展,原因也很简单,铁原子核是最稳定的。于是,它们就会发出射线,来让自己稳定下来。比如:α衰变。
这些射线会带走大量的能量,这也就能给外界提供热能。目前来看,地球内部主要提供能量的是铀、钍。
这些射线是带有大量的能量的,地球内核的能量主要就是来自于这些放射线元素的衰变。这样元素主要是铀和钍。
地球能量的散失
知道了地球能量的来源,我们再来看看地球能量是如何散失的。
实际上,地球向地面导热的效率是非常非常低的。我们大家可以来对比一下,太阳的辐射效率是每平米170瓦,而地球内部传导到地球表面的效率是每平米0.85瓦。两者相差200倍。所以和太阳比起来,地球内部对于地表温度的贡献简直是微乎其微。
那问题就来了,为什么地球内部传导热的速度这么慢?
这其实和地球的结构有关系,根据地震波的分析,我们如今所知道的是,地心位置其实存在着一个月球大小的铁球,是固态,而不是液态。可能你要说了,5000多度,铁早就成了液态咋还是固态?
这里其实是铁的一种特殊的形态,由于温度和压强(这里的压强是地球表面300多万倍的压强)的双重作用,这里的物质形成出了非常不同的晶体结构,所以才呈现出了固态。
而在铁球的外面,有一片中间地带。客观地说,如今我们还搞不清楚这部分是岩浆还是其他啥东西,而这片中间地带再往上,就是一层厚厚的岩石层,大概有2900公里那么厚。
地球内部传导热如此慢,很大程度上主要是因为这部分岩石层实在太厚了,起到了非常好的保温作用,隔绝了地球内部的热能向上传递的路径。而且进一步分析可以发现,那部分中间层也起到了隔绝的作用。基于这些原因,地球其实很难完全凉透。即使是等到了太阳都变成一颗白矮星,只要地球没有被吞噬,地球内部就还是温度很高的状态。