发热的地球

重庆市万州区建筑学院 吕雪萱

发热的地球

重庆市万州区建筑学院 吕雪萱

我们的地球在漫长的演化过程中，不断享受着太阳辐射热的恩惠，形成了今天繁荣的生物圈。当你沐浴着温暖阳光的时候，你可曾想到，我们的地球不仅从太阳那里获得热量，而且它自己也在向太空释放热量呢？

地球——天然反应堆

我们生活的地球被一层薄薄的外壳所包裹，内部禁锢着巨大的能量。当我们偶然成为地震、海啸、火山爆发的目击者（更糟糕的是成为牺牲者）的时候，我们才醒悟，原来我们是生活在一个燃烧着液体燃料的巨大反应堆之上。在这座反应堆的外壳——岩石圈之下分布着部分熔融的软流圈。按照传统的说法，由于放射性物质蜕变而发生的加热和散热过程，以及由于物质分异而释放出来的重力能的作用，软流圈中的地幔物质形成了一些巨大的对流体，它们把地球深部的热量带向地表。当发生火山爆发或强烈地震的时候，地球内部的熔岩便上升到了地面。这种释热过程可以形象地比作地球这座巨大的天然反应堆打开了“保险阀”，不时地向外抛出内部的多余能量，以便通过减压来保持稳定。地球释热的这种直观形式还有温泉、间歇泉、喷气孔等。

向四周散热的球体

然而，地球还有表明它内部生命的第二种方式，那就是通过整个地壳向宇宙空间释放热量。

物理学告诉我们，热量通过物体的传递有两种途径：一是对流，二是传导。发生前一现象时，热是随同物质一起移动的。例如，当我们把开水从茶壶里倒出来时，热便随之向外转移。然而，热也可以经过包裹着物质的外壳向外转移，也就是说，上述茶壶内的开水，也可以通过茶壶壁向外释放热量。对于有着一层硬壳的地球来说，第二种方式便是它传递热量的主要途径。不过这种释热方式几乎是不可捉摸的。

科学家用电温度计在矿井和超深钻井内垂直测量了陆地范围地层的温度，确定了温度随深度增加而逐渐增高的规律性。测量表明，随着深度的增加，在不同地点温度的变化范围为0.006℃/米～0.15℃/米。这不仅证明地球内部存在着巨大的热源，而且证明有比较稳定的热流不断地从地球内部升向地表并散失在宇宙空间。热流密度同大地构造紧密相关，它一般不超过 0.025瓦/米2～0.1瓦/米2。在前寒武纪结晶地盾，此数值较小——0.04瓦/米2；在地台，数值中等——0.05瓦/米2～0.06瓦/米2；在大地构造活跃的断裂带，数值较高，达到0.07瓦/米2～0.1瓦/米2。然而上述数值并不可靠，这不仅是因为大部分大陆地区还未研究，而且是因为有将近五分之四覆盖着大洋的地球表面的情况直到最近人们还几乎是一无所知的。因此，了解地球整个表面的释热情况还得深入海底。

海底奇观

“……一层层熔岩有次序地重叠着；在一根根排列得整整齐齐的‘管道’里，缓缓地冒出灼热的熔岩……看，地下高达1200℃的岩浆从深海裂谷地壳破裂处涌出，同4℃的海水相遇，迅速冷凝，形成这一根根的‘管道’，然而里面未冷凝的熔岩依然不断地流动，它涌到‘管道’末端，冲出来，又冷凝成一段新的‘管道’。这段新‘管道’约有30厘米长，内径达2米……”

美国和法国科学家曾在大西洋上的亚速尔群岛西南面附近、深达2600米的海底乘坐深海科学考察潜艇探测海底裂谷。上面这段文字就是那次探险的描写。这些描写不仅把海底诞生的过程，而且把地球释热的情景活生生地呈现在读者眼前。

现在，专门用来考察海洋的船只和考察海底的装置使得科学家能够亲眼看见海底所发生的一切了。这样便诞生了一门新的学科——海洋地质学。在它的各个研究项目中，就包括测量通过大洋底进入海水层再散发到大气层的热流的工作。为此使用了一种特殊仪器——热梯度计。这是一种装有数个相隔不远的温度计的探测装置。把它从海洋考察船的船舷用缆绳放入海水中，它内部的记录仪便记录下分布在垂直线上的各个测量点的温度差。探测装置下沉到海底后，还能攫取海底土壤样品，用以测出其导热率。然而对测量结果的分析表明，在大洋的青年地区，即洋中脊地区，数值差异十分巨大，温度梯度呈现跳跃；在远离洋中脊的老年地区，这个差异并不大。这是为什么呢？

科学家在红海考察时解开了这个迷。在红海，他们通过水下装置观察了炽热地下水从海底裂缝中喷涌而出的壮观景象。他们也看到了在海底峡谷边缘上的奇异的裂缝网。他们正是在那里弄清楚了测量热流量的十分重要的细节。原来，当探测装置正好落入有热矿泉水上涌的裂缝之中时，它便几乎显示不出在测量的上下点之间有什么差别，这时坐在船上的测量人员便会因为温度梯度小而以为海底释放的热流量是极为微小的。但是，如果探测装置正好沉到裂缝旁边，它便会记录下巨大的温度差。这两种情况都不能反映真实情况，那么怎样才能测量出大洋底释放的热流量的正确数值呢？

求助于板块理论

在现代技术条件下，在大洋中应用几何测量法是无法确定洋中脊区的确切热流量的，因此只有从理论上进行估计了。

从探测海底裂谷的描写中，我们看到了海底诞生的过程，这也是地球岩石圈的生长过程。软流圈的熔融物质从断裂带的裂缝中涌出并逐渐冷却。冷却的时间越长，形成的岩石圈就越厚，它的底部距离表面就越远。根据某些地球物理学家提出的岩石圈生长的结晶模型，正在生长的岩石圈的厚度是同它的年龄的平方根成正比的。这样就有可能把大洋底部释放的热流量同岩石圈的厚度，即年龄相互联系起来。

科学家把大洋底释热计算值的理论曲线同实验数据进行比较发现，在洋中脊区和海底峡谷断裂区，测量值总小于理论值。但是，当大洋底年龄增加至8000万年以上时，理论曲线就同实验测量平均值相符合了。这是因为在洋中脊区，只能测量到热量的热传导部分，这部分热量总要小于理论计算的总热量值。然而随着大洋底年龄的增加，裂缝被沉积物和外溢的熔融物质所充斥和掩盖，结果在大洋底的老年地段，理论值便同测量平均值大体相符。这样，科学家便计算出了比较准确的大洋底的释热流量了。他们的计算表明，地球通过大洋释放的热量比通过大陆释放的热量多数倍，而且整个地壳向宇宙空间散失的全部热量比过去计算的要多两倍。

展望未来

科学家在确定通过地壳进入大气层的地球内部热量方面已取得了重大进展。那么，弄清楚地球释热量又有什么意义呢？科学家认为，地球这个在宇宙空间已经冷却了的天体的热损失量可以告诉我们，它内部还蕴藏着多少能量，因而有助于对地球能源作重新估计，并计算出地球未来能够生存的时间。研究地球释热的状况还有助于了解地球的冷却过程是否均匀进行。对海洋的研究表明，地球表面各大陆的重新配置是循环发生的，这个周期大致为六亿年，因而地球的释热过程也大致在这个周期内发生变化。现在，科学家在自己的研究成果的基础上，已能编制大洋和大陆在不同地质年代在地球表面的配置图，并对地球在过去年代的热损失量了如指掌。因此，他们也能展望未来，并希望了解是否可能存在地球内部热能的新爆发或者重新积聚的过程，这种新爆发对地球生命又可能产生什么影响。