重慶市萬州區(qū)建筑學院 呂雪萱

發(fā)熱的地球

重慶市萬州區(qū)建筑學院 呂雪萱

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

地球——天然反應堆

我們生活的地球被一層薄薄的外殼所包裹，內部禁錮著巨大的能量。當我們偶然成為地震、海嘯、火山爆發(fā)的目擊者（更糟糕的是成為犧牲者）的時候，我們才醒悟，原來我們是生活在一個燃燒著液體燃料的巨大反應堆之上。在這座反應堆的外殼——巖石圈之下分布著部分熔融的軟流圈。按照傳統(tǒng)的說法，由于放射性物質蛻變而發(fā)生的加熱和散熱過程，以及由于物質分異而釋放出來的重力能的作用，軟流圈中的地幔物質形成了一些巨大的對流體，它們把地球深部的熱量帶向地表。當發(fā)生火山爆發(fā)或強烈地震的時候，地球內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堆打開了“保險閥”，不時地向外拋出內部的多余能量，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，地球還有表明它內部生命的第二種方式，那就是通過整個地殼向宇宙空間釋放熱量。

物理學告訴我們，熱量通過物體的傳遞有兩種途徑：一是對流，二是傳導。發(fā)生前一現(xiàn)象時，熱是隨同物質一起移動的。例如，當我們把開水從茶壺里倒出來時，熱便隨之向外轉移。然而，熱也可以經(jīng)過包裹著物質的外殼向外轉移，也就是說，上述茶壺內的開水，也可以通過茶壺壁向外釋放熱量。對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。

科學家用電溫度計在礦井和超深鉆井內垂直測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。測量表明，隨著深度的增加，在不同地點溫度的變化范圍為0.006℃/米～0.15℃/米。這不僅證明地球內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部升向地表并散失在宇宙空間。熱流密度同大地構造緊密相關，它一般不超過 0.025瓦/米2～0.1瓦/米2。在前寒武紀結晶地盾，此數(shù)值較小——0.04瓦/米2；在地臺，數(shù)值中等——0.05瓦/米2～0.06瓦/米2；在大地構造活躍的斷裂帶，數(shù)值較高，達到0.07瓦/米2～0.1瓦/米2。然而上述數(shù)值并不可靠，這不僅是因為大部分大陸地區(qū)還未研究，而且是因為有將近五分之四覆蓋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，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，內徑達2米……”

美國和法國科學家曾在大西洋上的亞速爾群島西南面附近、深達2600米的海底乘坐深?？茖W考察潛艇探測海底裂谷。上面這段文字就是那次探險的描寫。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科——海洋地質學。在它的各個研究項目中，就包括測量通過大洋底進入海水層再散發(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。這是一種裝有數(shù)個相隔不遠的溫度計的探測裝置。把它從海洋考察船的船舷用纜繩放入海水中，它內部的記錄儀便記錄下分布在垂直線上的各個測量點的溫度差。探測裝置下沉到海底后，還能攫取海底土壤樣品，用以測出其導熱率。然而對測量結果的分析表明，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；在遠離洋中脊的老年地區(qū)，這個差異并不大。這是為什么呢？

科學家在紅?？疾鞎r解開了這個迷。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量熱流量的十分重要的細節(jié)。原來，當探測裝置正好落入有熱礦泉水上涌的裂縫之中時，它便幾乎顯示不出在測量的上下點之間有什么差別，這時坐在船上的測量人員便會因為溫度梯度小而以為海底釋放的熱流量是極為微小的。但是，如果探測裝置正好沉到裂縫旁邊，它便會記錄下巨大的溫度差。這兩種情況都不能反映真實情況，那么怎樣才能測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)代技術條件下，在大洋中應用幾何測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行估計了。

從探測海底裂谷的描寫中，我們看到了海底誕生的過程，這也是地球巖石圈的生長過程。軟流圈的熔融物質從斷裂帶的裂縫中涌出并逐漸冷卻。冷卻的時間越長，形成的巖石圈就越厚，它的底部距離表面就越遠。根據(jù)某些地球物理學家提出的巖石圈生長的結晶模型，正在生長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。

科學家把大洋底釋熱計算值的理論曲線同實驗數(shù)據(jù)進行比較發(fā)現(xiàn)，在洋中脊區(qū)和海底峽谷斷裂區(qū)，測量值總小于理論值。但是，當大洋底年齡增加至8000萬年以上時，理論曲線就同實驗測量平均值相符合了。這是因為在洋中脊區(qū)，只能測量到熱量的熱傳導部分，這部分熱量總要小于理論計算的總熱量值。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所充斥和掩蓋，結果在大洋底的老年地段，理論值便同測量平均值大體相符。這樣，科學家便計算出了比較準確的大洋底的釋熱流量了。他們的計算表明，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，而且整個地殼向宇宙空間散失的全部熱量比過去計算的要多兩倍。

展望未來

科學家在確定通過地殼進入大氣層的地球內部熱量方面已取得了重大進展。那么，弄清楚地球釋熱量又有什么意義呢？科學家認為，地球這個在宇宙空間已經(jīng)冷卻了的天體的熱損失量可以告訴我們，它內部還蘊藏著多少能量，因而有助于對地球能源作重新估計，并計算出地球未來能夠生存的時間。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行。對海洋的研究表明，地球表面各大陸的重新配置是循環(huán)發(fā)生的，這個周期大致為六億年，因而地球的釋熱過程也大致在這個周期內發(fā)生變化?，F(xiàn)在，科學家在自己的研究成果的基礎上，已能編制大洋和大陸在不同地質年代在地球表面的配置圖，并對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部熱能的新爆發(fā)或者重新積聚的過程，這種新爆發(fā)對地球生命又可能產(chǎn)生什么影響。