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地球形成了幾十億年,地心仍舊是巖漿,為何冷卻的這么慢?

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地球作為一顆石質行星(相對于木星、土星等氣態行星),它冷卻的慢有這么幾個原因:

散熱方式

從地球內部到地面的總熱量流量的估計為43至49太瓦(TW)(1太瓦特為10^12瓦)。最近的估計是47 TW,相當于91.6 mW/m^2的平均熱通量,這個估算是基于超過38000次測量而得出的。雖然總量巨大,但單位面積的地熱功率還是很小的,而人在靜息狀況下的熱功率都達到近300W。



上圖:地球內主要的熱傳輸機制——地球的橫截面顯示了其主要層次劃分及其對地球全部流向地表的內部熱的大致貢獻。

而對于懸浮在太空中的行星來說,其散熱的方式只有一種,那就是熱輻射,因為無法通過對流蒸發等方式快速散熱,所以以長波紅外輻射的形式將熱量從地表輻射向外太空當中就是唯一的途徑。但這些長波紅外輻射中的一部分將會被大氣截留,尤其是被云層和溫室氣體,所以輻射出去的部分并不多。地球目前的溫度相對平衡,就說明這種輻射的量與地球接受到的熱量以及地熱的熱量達到了某種平衡,否則要么地球的地表溫度會不斷上升或者不斷下降。因此,這種散熱方式的效率對于地殼下的巖漿來說是微乎其微的。就算所有的地熱都散發出去,也不過只有91.6 毫瓦/每平米。而這還沒有算地球每天從太陽吸收的熱量(想想三伏天的情景),雖然太陽的熱能對于保持地球內部“體溫”來說沒有什么實際的幫助。



上圖:全球的長波輻射分布(1985年4月),單位瓦/平米。

表面積與體積的比

行星越大散熱就越慢,這是由于表面積隨著體積增大,與體積的比例越來越小(一個二次方與三次方的比),這跟動物體型越大就越能抗寒的道理一樣。相比火星來說,地球就大得多了。火星的質量是地球的10.7%,體積是地球的15.1%,所以火星這幾十億年來內部的熱已經散完了,成了一顆死星,地下基本沒有巖漿活動了。而地球和金星質量和體積差不多,因而內部巖漿活動也仍然十分活躍。



內部液態物質的對流強度

因為地球內部的巖漿主要由硅鐵質構成,而地核甚至基本上是鐵鎳質的。這些物質的密度大,流動性比氣態行星內部那些冷凝的低密度元素構成的液體物質的流動性差多了,因此對流并不算強烈,幾十億年來對地核的散熱效率相對較低。所以地球和金星都保持著一顆火紅的芯。



上圖:地球內部對流與地表的地理相互作用,似乎這種對流是十分受限的,而且是在極深的地下才比較活躍。地幔并不像我們想象的那樣是巖漿的海洋。



上圖:地球地下對流3D模擬模型,似乎地球內部向地表的對流只發生在某些柱子上,大部分液態的巖漿的對流被限制在很深的地下。

內部核反應釋放的熱量

地球的內熱也不只是吃老本(地球的太初熱量),地球地幔和地殼中元素的放射性衰變導會釋放中微子和熱能(放射性熱)。有四種放射性同位素是造成大部分放射性熱的原因,因為它們相對于其他放射性同位素豐度更高,分別是:鈾-238,鈾-235,釷-232和鉀-40。據估計僅鉀-40就貢獻了40太瓦的地熱功率。甚至在地表也能發現天然的核裂變反應堆。



上圖:一處淺表的天然核反應堆遺跡

總結

所有上面的因素共同造成了地球散熱緩慢的條件,因此地球能夠保持青春到如今,否則就會像火星一樣死氣沉沉。

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