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地球物理知识十讲-----第七讲 炽热核心(地球内热)
【时间:2017年11月24日】 【字号:

    地球内部不断有热量向外溢出,如火山、温泉。它们像一扇扇窗口,从中可以窥测地球深处的热状态和热性质。如果你去过矿井,就会发现,每向下100m,温度可提高2℃~3℃。这表明,地球内部是热的,越深温度越高;但并非按上述变化率增加。

        如何系统地研究地球内部热状呢?内部的温度分布如何?为此,首先需进行全球性的地面热流测量。所谓地面热流密度,是指每秒钟通过每平方厘米面积向外散发的热流量。这种测量需要在深井内进行,通过测定温度,并利用岩石的热导率,可以计算出热流大小。目前,根据全球已有一万多个测点数据,可算出地球每年向外流出的总热量,大约为1021J。这数值虽然比起地面每年接收的太阳辐射总热量(1024~1025J)要小很多。但这是一项不可忽视的地球热现象。

        什么原因造成热流向外溢出呢?这涉及热源问题。目前对热源的认识还不统一,但主要集中在以下三个方面:第一,放射性热。地球内部有许多放射性元素,其放射性衰变可用来测定岩石和地球年龄;其伴随的放射性热为地球提供热源。有人用球粒陨石中的放射性含量比例计算热产量,所得每年热产量与上面所得每年热流值相近。第二,势能转换热。这种热量是从地球形成时,由于物质聚集作用,将热能转换为动能,然后通过撞击又转换为热能实现的。地球的分层伴随重物质流向地心,轻物质浮向地表,同样也会将势能量绝症转换为热能。显然,这部分是难以估计的。第三,自转速度变慢带来的动能转换热。据估计,这部分贡献很小。总的看来,地面热流的热源,主要来自富集地球上层的放射性热,其次是地球中下层的原始热(即势能转换热和动能转换热)。

        目前认为,热源所提供的热量从深部输送至地表,主要有两种方式:一是热传导,一是热对流。热传导机制较复杂,包括声子、光子、激子等多种激发传热形式。热对流是一项十分有效的携带热量方式。物体内有温差,物质就可从高温处流向低温处,热能也随之迁移。这种对流需两个条件:物体的流动性和温度差异。显然,地球内部具备这些条件。其中地幔低速层和液态外核,是发生热对流的最理想的场所。

        知道了热源和传热方式,则可利用热传导方程计算地球内部的温度分布。此外,可采用速度与物质熔点关系、电导率与温度关系、岩石组成与温度关系问题等间接方式,对地球内部温度加以估计。从整个变化趋势看,温度随深度而增加,在地壳内部大约从几十度到几百度。一般在20~30km以下已超过使岩石失去磁性的温度(居里点);在幔核边界约4000℃;而到地心不超过5000°。因此,地球是一个炽热球体。人们生活的大地,不过是这个炽热球体已经或正在冷却、凝固的表层。然而,由于源源不断的地球内部热量向上传输,又造成地球表层的运动变化,使地球至今充满活力。


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