|
地球真有可能变成一颗冷透的星球吗？ 马国梁 目前的主流理论认为：地球也是从星云中诞生的。在形成过程中会有显著的收缩过程，因而产生了大量的热能，还有地核放射性元素的蜕变也会产生很多热量。这些热量通过火山爆发、地震、温泉等释放出来一部分，但更多的还是通过辐射散失到太空中。随着时间的推移，地表温度逐步降低，形成了固态的地壳，但地壳下却仍然是缓缓流动着的炽热的岩浆。这个过程已经持续46亿年了。有人认为：这一切总有结束的那一天。放射性物质消耗殆尽，地核慢慢冷却下来，原始热量全部散失，最终变成一颗冷透了固体球。 凡是持有这个观点的人肯定不知道大自然中还存在一个控制温度分布的铁律：这就是“引力温梯定律”。因为温度是对大量分子（原子）做无规则运动的平均速度的反映。在引力的方向上，引力会对所有分子的运动进行加速，从而提高分子的平均运动速度，当然也就提高了物质的温度。这是引力势能转化成热能的表现。根据能量守恒定律，对于固体的地壳来说 因为 mCv dt = -mg dr 所以得 dt = -g dr/Cv 引力温梯 -dt/dr = g/Cv 式中Cv = 400 焦/千克度，是地壳物质的平均定容比热；g = 9.8米/秒方，是地球表面的重力加速度，也是该地的引力场强。因此可求得其温梯大小为 -dt/dr = 0.0245度/米 =24.5 度/千米 有关测量资料已已经证实了这一结果。 按照引力温梯律，可算得地球核心的温度是 t =∫(-g/Cv )dr 假设地球密度处处均匀，那么引力场强g将与地球的半径r成正比。通过积分可算得 t = (g/Cv )(r/2) = (9.8/400)(6371000/2) = 78044.75 开 因为地球密度是内大外小，所以实际上地心温度还要更高一些。在数万度的高温下，所有物质都变成了流体状态。 不错！如果没有引力温梯的作用，地球迟早将变成一个冷透了固体球。因为地核的放射性物质不再产热，剩余热量向外的传递和散失不可阻止。即便地球表面的温度已经降到很低，但地壳下的岩浆仍将通过对流向地表传递热量，向太空释放。 让岩浆停止对流的最大温梯只是一种暂时状态。因为地下热量将通过传导继续向外传递，直到整个地球内外都成为绝对零度，温梯线变成水平线。 但现在有了引力的作用，情况就变得不同了。当温梯过大时，地表将向外散发热量；而当温梯过小时，地表将吸收热量向内传导。当向内传导的热量和对流向外传递的热量相等时，地球将达到一种动态的平衡，保持一定的温梯。 对于质量巨大的行星来说，其核心的高温能够熔化所有的物质，球内没有对流的稳恒态是不可能实现的。关于流体的稳恒态我们是这样认为的：球体内部物质没有任何流动，处处静止。如果取一个单元体，让其在内部自由悬浮移动，那么它每到一处，都可以通过绝热压缩或膨胀使密度、温度和周围的相一致。所以体积元沿半径向球心漂移，其绝热压缩所形成的温梯就是球内有无对流的分界线。当引力温梯小于于它时没有对流，而当大于它时就会产生对流。 但液体和气体的绝热温梯是不同的。气体因为分子间距远远大于自身的尺度，其密度可以增大很多倍，所以它通过绝热压缩所形成的温梯很大。而液体分子的间距因为大大减小，分子自身的尺度不可忽略，其密度变化范围较小，所以通过绝热压缩所产生的温梯也较小。 而流体的引力温梯则是由引力强度g和物质的定压比热Cp决定的。即 -dt/dr = g/Cp 这个温梯比固体的引力温梯要小，与气体的绝热压缩温梯一致，但比液体的绝热压缩温梯要大。所以液体星球内处处静止的稳恒态是不存在的。即便是气体星球内部，它也总有缓缓的对流，因为固体的引力温梯总是更大一些。 因为对流，使地下的各种物质元素充分混合，有了一个平均的摩尔质量，大约是31.2克。因为液体很难压缩，所以地核的密度与地壳的密度也不会悬殊很大，不大可能超过2倍。 已知Cp = 400/0.6 焦/千克度，我们还是假设地球的密度处处均匀，那么可求得地球的核心温度是 t = (g/Cp )(r/2) = (9.8*0.6/400)(6371000/2) = 46826.85 开 因为地球的密度是内大外小，所以实际上地心温度还要再高点。绝不是目前主流理论所认定的6000度。 综上所述，我们的最终结论就是：地球不但永远不可能成为一个冷透了的星球，且核心温度将永远保持在几万度上，地下红色岩浆的对流永远不会停息。
|
