重慶市萬(wàn)州區(qū)建筑學(xué)院 呂雪萱

發(fā)熱的地球

重慶市萬(wàn)州區(qū)建筑學(xué)院 呂雪萱

我們的地球在漫長(zhǎng)的演化過(guò)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(lái)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(shuō)法，由于放射性物質(zhì)蛻變而發(fā)生的加熱和散熱過(guò)程，以及由于物質(zhì)分異而釋放出來(lái)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(guò)程可以形象地比作地球這座巨大的天然反應(yīng)堆打開(kāi)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(guò)減壓來(lái)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(guò)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(guò)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(kāi)水從茶壺里倒出來(lái)時(shí)，熱便隨之向外轉(zhuǎn)移。然而，熱也可以經(jīng)過(guò)包裹著物質(zhì)的外殼向外轉(zhuǎn)移，也就是說(shuō)，上述茶壺內(nèi)的開(kāi)水，也可以通過(guò)茶壺壁向外釋放熱量。對(duì)于有著一層硬殼的地球來(lái)說(shuō)，第二種方式便是它傳遞熱量的主要途徑。不過(guò)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(guò) 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(wú)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(lái)，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?？茖W(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(xiě)。這些描寫(xiě)不僅把海底誕生的過(guò)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(lái)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(jiàn)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(guò)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?？疾鞎r(shí)解開(kāi)了這個(gè)迷。在紅海，他們通過(guò)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(lái)，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(wú)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(xiě)中，我們看到了海底誕生的過(guò)程，這也是地球巖石圈的生長(zhǎng)過(guò)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(lái)。

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(wàn)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(guò)大洋釋放的熱量比通過(guò)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(guò)去計(jì)算的要多兩倍。

展望未來(lái)

科學(xué)家在確定通過(guò)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(lái)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(guò)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(guò)程也大致在這個(gè)周期內(nèi)發(fā)生變化?，F(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(guò)去年代的熱損失量了如指掌。因此，他們也能展望未來(lái)，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(guò)程，這種新爆發(fā)對(duì)地球生命又可能產(chǎn)生什么影響。