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第七講 熾熱核心(地球內熱)
更新時間: 2018-10-21

地球內部不斷有熱量向外溢出,如火山、溫泉。它們像一扇扇窗口,從中可以窺測地球深處的熱狀態和熱性質。如果你去過礦井,就會發現,每向下100m,溫度可提高2℃~3℃。這表明,地球內部是熱的,越深溫度越高;但并非按上述變化率增加。

如何系統地研究地球內部熱狀呢?內部的溫度分布如何?為此,首先需進行全球性的地面熱流測量。所謂地面熱流密度,是指每秒鐘通過每平方厘米面積向外散發的熱流量。這種測量需要在深井內進行,通過測定溫度,并利用巖石的熱導率,可以計算出熱流大小。目前,根據全球已有一萬多個測點數據,可算出地球每年向外流出的總熱量,大約為1021J。這數值雖然比起地面每年接收的太陽輻射總熱量(1024~1025J)要小很多。但這是一項不可忽視的地球熱現象。

什么原因造成熱流向外溢出呢?這涉及熱源問題。目前對熱源的認識還不統一,但主要集中在以下三個方面:第一,放射性熱。地球內部有許多放射性元素,其放射性衰變可用來測定巖石和地球年齡;其伴隨的放射性熱為地球提供熱源。有人用球粒隕石中的放射性含量比例計算熱產量,所得每年熱產量與上面所得每年熱流值相近。第二,勢能轉換熱。這種熱量是從地球形成時,由于物質聚集作用,將熱能轉換為動能,然后通過撞擊又轉換為熱能實現的。地球的分層伴隨重物質流向地心,輕物質浮向地表,同樣也會將勢能量絕癥轉換為熱能。顯然,這部分是難以估計的。第三,自轉速度變慢帶來的動能轉換熱。據估計,這部分貢獻很小??偟目磥?,地面熱流的熱源,主要來自富集地球上層的放射性熱,其次是地球中下層的原始熱(即勢能轉換熱和動能轉換熱)。

目前認為,熱源所提供的熱量從深部輸送至地表,主要有兩種方式:一是熱傳導,一是熱對流。熱傳導機制較復雜,包括聲子、光子、激子等多種激發傳熱形式。熱對流是一項十分有效的攜帶熱量方式。物體內有溫差,物質就可從高溫處流向低溫處,熱能也隨之遷移。這種對流需兩個條件:物體的流動性和溫度差異。顯然,地球內部具備這些條件。其中地幔低速層和液態外核,是發生熱對流的最理想的場所。

知道了熱源和傳熱方式,則可利用熱傳導方程計算地球內部的溫度分布。此外,可采用速度與物質熔點關系、電導率與溫度關系、巖石組成與溫度關系問題等間接方式,對地球內部溫度加以估計。從整個變化趨勢看,溫度隨深度而增加,在地殼內部大約從幾十度到幾百度。一般在20~30km以下已超過使巖石失去磁性的溫度(居里點);在幔核邊界約4000℃;而到地心不超過5000°。因此,地球是一個熾熱球體。人們生活的大地,不過是這個熾熱球體已經或正在冷卻、凝固的表層。然而,由于源源不斷的地球內部熱量向上傳輸,又造成地球表層的運動變化,使地球至今充滿活力。


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