發(fā)熱的地球

重慶市萬州區(qū)建筑學(xué)院 呂雪萱

發(fā)熱的地球

重慶市萬州區(qū)建筑學(xué)院 呂雪萱

我們的地球在漫長(zhǎng)的演化過程中，不斷享受著太陽(yáng)輻射熱的恩惠，形成了今天繁榮的生物圈。當(dāng)你沐浴著溫暖陽(yáng)光的時(shí)候，你可曾想到，我們的地球不僅從太陽(yáng)那里獲得熱量，而且它自己也在向太空釋放熱量呢？

地球——天然反應(yīng)堆

我們生活的地球被一層薄薄的外殼所包裹，內(nèi)部禁錮著巨大的能量。當(dāng)我們偶然成為地震、海嘯、火山爆發(fā)的目擊者（更糟糕的是成為犧牲者）的時(shí)候，我們才醒悟，原來我們是生活在一個(gè)燃燒著液體燃料的巨大反應(yīng)堆之上。在這座反應(yīng)堆的外殼——巖石圈之下分布著部分熔融的軟流圈。按照傳統(tǒng)的說法，由于放射性物質(zhì)蛻變而發(fā)生的加熱和散熱過程，以及由于物質(zhì)分異而釋放出來的重力能的作用，軟流圈中的地幔物質(zhì)形成了一些巨大的對(duì)流體，它們把地球深部的熱量帶向地表。當(dāng)發(fā)生火山爆發(fā)或強(qiáng)烈地震的時(shí)候，地球內(nèi)部的熔巖便上升到了地面。這種釋熱過程可以形象地比作地球這座巨大的天然反應(yīng)堆打開了“保險(xiǎn)閥”，不時(shí)地向外拋出內(nèi)部的多余能量，以便通過減壓來保持穩(wěn)定。地球釋熱的這種直觀形式還有溫泉、間歇泉、噴氣孔等。

向四周散熱的球體

然而，地球還有表明它內(nèi)部生命的第二種方式，那就是通過整個(gè)地殼向宇宙空間釋放熱量。

物理學(xué)告訴我們，熱量通過物體的傳遞有兩種途徑：一是對(duì)流，二是傳導(dǎo)。發(fā)生前一現(xiàn)象時(shí)，熱是隨同物質(zhì)一起移動(dòng)的。例如，當(dāng)我們把開水從茶壺里倒出來時(shí)，熱便隨之向外轉(zhuǎn)移。然而，熱也可以經(jīng)過包裹著物質(zhì)的外殼向外轉(zhuǎn)移，也就是說，上述茶壺內(nèi)的開水，也可以通過茶壺壁向外釋放熱量。對(duì)于有著一層硬殼的地球來說，第二種方式便是它傳遞熱量的主要途徑。不過這種釋熱方式幾乎是不可捉摸的。

科學(xué)家用電溫度計(jì)在礦井和超深鉆井內(nèi)垂直測(cè)量了陸地范圍地層的溫度，確定了溫度隨深度增加而逐漸增高的規(guī)律性。測(cè)量表明，隨著深度的增加，在不同地點(diǎn)溫度的變化范圍為0.006℃/米～0.15℃/米。這不僅證明地球內(nèi)部存在著巨大的熱源，而且證明有比較穩(wěn)定的熱流不斷地從地球內(nèi)部升向地表并散失在宇宙空間。熱流密度同大地構(gòu)造緊密相關(guān)，它一般不超過 0.025瓦/米2～0.1瓦/米2。在前寒武紀(jì)結(jié)晶地盾，此數(shù)值較小——0.04瓦/米2；在地臺(tái)，數(shù)值中等——0.05瓦/米2～0.06瓦/米2；在大地構(gòu)造活躍的斷裂帶，數(shù)值較高，達(dá)到0.07瓦/米2～0.1瓦/米2。然而上述數(shù)值并不可靠，這不僅是因?yàn)榇蟛糠执箨懙貐^(qū)還未研究，而且是因?yàn)橛袑⒔宸种母采w著大洋的地球表面的情況直到最近人們還幾乎是一無所知的。因此，了解地球整個(gè)表面的釋熱情況還得深入海底。

海底奇觀

“……一層層熔巖有次序地重疊著；在一根根排列得整整齊齊的‘管道’里，緩緩地冒出灼熱的熔巖……看，地下高達(dá)1200℃的巖漿從深海裂谷地殼破裂處涌出，同4℃的海水相遇，迅速冷凝，形成這一根根的‘管道’，然而里面未冷凝的熔巖依然不斷地流動(dòng)，它涌到‘管道’末端，沖出來，又冷凝成一段新的‘管道’。這段新‘管道’約有30厘米長(zhǎng)，內(nèi)徑達(dá)2米……”

美國(guó)和法國(guó)科學(xué)家曾在大西洋上的亞速爾群島西南面附近、深達(dá)2600米的海底乘坐深海科學(xué)考察潛艇探測(cè)海底裂谷。上面這段文字就是那次探險(xiǎn)的描寫。這些描寫不僅把海底誕生的過程，而且把地球釋熱的情景活生生地呈現(xiàn)在讀者眼前。

現(xiàn)在，專門用來考察海洋的船只和考察海底的裝置使得科學(xué)家能夠親眼看見海底所發(fā)生的一切了。這樣便誕生了一門新的學(xué)科——海洋地質(zhì)學(xué)。在它的各個(gè)研究項(xiàng)目中，就包括測(cè)量通過大洋底進(jìn)入海水層再散發(fā)到大氣層的熱流的工作。為此使用了一種特殊儀器——熱梯度計(jì)。這是一種裝有數(shù)個(gè)相隔不遠(yuǎn)的溫度計(jì)的探測(cè)裝置。把它從海洋考察船的船舷用纜繩放入海水中，它內(nèi)部的記錄儀便記錄下分布在垂直線上的各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度差。探測(cè)裝置下沉到海底后，還能攫取海底土壤樣品，用以測(cè)出其導(dǎo)熱率。然而對(duì)測(cè)量結(jié)果的分析表明，在大洋的青年地區(qū)，即洋中脊地區(qū)，數(shù)值差異十分巨大，溫度梯度呈現(xiàn)跳躍；在遠(yuǎn)離洋中脊的老年地區(qū)，這個(gè)差異并不大。這是為什么呢？

科學(xué)家在紅海考察時(shí)解開了這個(gè)迷。在紅海，他們通過水下裝置觀察了熾熱地下水從海底裂縫中噴涌而出的壯觀景象。他們也看到了在海底峽谷邊緣上的奇異的裂縫網(wǎng)。他們正是在那里弄清楚了測(cè)量熱流量的十分重要的細(xì)節(jié)。原來，當(dāng)探測(cè)裝置正好落入有熱礦泉水上涌的裂縫之中時(shí)，它便幾乎顯示不出在測(cè)量的上下點(diǎn)之間有什么差別，這時(shí)坐在船上的測(cè)量人員便會(huì)因?yàn)闇囟忍荻刃《詾楹５揍尫诺臒崃髁渴菢O為微小的。但是，如果探測(cè)裝置正好沉到裂縫旁邊，它便會(huì)記錄下巨大的溫度差。這兩種情況都不能反映真實(shí)情況，那么怎樣才能測(cè)量出大洋底釋放的熱流量的正確數(shù)值呢？

求助于板塊理論

在現(xiàn)代技術(shù)條件下，在大洋中應(yīng)用幾何測(cè)量法是無法確定洋中脊區(qū)的確切熱流量的，因此只有從理論上進(jìn)行估計(jì)了。

從探測(cè)海底裂谷的描寫中，我們看到了海底誕生的過程，這也是地球巖石圈的生長(zhǎng)過程。軟流圈的熔融物質(zhì)從斷裂帶的裂縫中涌出并逐漸冷卻。冷卻的時(shí)間越長(zhǎng)，形成的巖石圈就越厚，它的底部距離表面就越遠(yuǎn)。根據(jù)某些地球物理學(xué)家提出的巖石圈生長(zhǎng)的結(jié)晶模型，正在生長(zhǎng)的巖石圈的厚度是同它的年齡的平方根成正比的。這樣就有可能把大洋底部釋放的熱流量同巖石圈的厚度，即年齡相互聯(lián)系起來。

科學(xué)家把大洋底釋熱計(jì)算值的理論曲線同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，在洋中脊區(qū)和海底峽谷斷裂區(qū)，測(cè)量值總小于理論值。但是，當(dāng)大洋底年齡增加至8000萬年以上時(shí)，理論曲線就同實(shí)驗(yàn)測(cè)量平均值相符合了。這是因?yàn)樵谘笾屑箙^(qū)，只能測(cè)量到熱量的熱傳導(dǎo)部分，這部分熱量總要小于理論計(jì)算的總熱量值。然而隨著大洋底年齡的增加，裂縫被沉積物和外溢的熔融物質(zhì)所充斥和掩蓋，結(jié)果在大洋底的老年地段，理論值便同測(cè)量平均值大體相符。這樣，科學(xué)家便計(jì)算出了比較準(zhǔn)確的大洋底的釋熱流量了。他們的計(jì)算表明，地球通過大洋釋放的熱量比通過大陸釋放的熱量多數(shù)倍，而且整個(gè)地殼向宇宙空間散失的全部熱量比過去計(jì)算的要多兩倍。

展望未來

科學(xué)家在確定通過地殼進(jìn)入大氣層的地球內(nèi)部熱量方面已取得了重大進(jìn)展。那么，弄清楚地球釋熱量又有什么意義呢？科學(xué)家認(rèn)為，地球這個(gè)在宇宙空間已經(jīng)冷卻了的天體的熱損失量可以告訴我們，它內(nèi)部還蘊(yùn)藏著多少能量，因而有助于對(duì)地球能源作重新估計(jì)，并計(jì)算出地球未來能夠生存的時(shí)間。研究地球釋熱的狀況還有助于了解地球的冷卻過程是否均勻進(jìn)行。對(duì)海洋的研究表明，地球表面各大陸的重新配置是循環(huán)發(fā)生的，這個(gè)周期大致為六億年，因而地球的釋熱過程也大致在這個(gè)周期內(nèi)發(fā)生變化。現(xiàn)在，科學(xué)家在自己的研究成果的基礎(chǔ)上，已能編制大洋和大陸在不同地質(zhì)年代在地球表面的配置圖，并對(duì)地球在過去年代的熱損失量了如指掌。因此，他們也能展望未來，并希望了解是否可能存在地球內(nèi)部熱能的新爆發(fā)或者重新積聚的過程，這種新爆發(fā)對(duì)地球生命又可能產(chǎn)生什么影響。