(轉(zhuǎn)載自公眾號艾牛科普君)
地球是人類的家園，科學家通過測定放射性核素的衰變情況，發(fā)現(xiàn)地球大約有45.7億歲了。雖然經(jīng)過了45.7億個年頭，地球依舊保持著旺盛的生命力。
地球表面70%被液態(tài)水覆蓋，剝開水圈，地球外面這層薄如蛋殼的巖石質(zhì)外殼，被稱為地殼?；鹕奖l(fā)時噴出的熔巖就來自地殼之下，溫度高達900~1400攝氏度。越深入地球內(nèi)部，溫度越高?？茖W家綜合各方面的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)地核的溫度大約在4000～6000攝氏度左右。要知道，太陽表面的溫度也才5500攝氏度左右。
地球誕生了這么久，經(jīng)過長時間的冷卻，為什么內(nèi)部溫度還這么高？
地球是一個巖石行星，半徑高達6371千米。要想了解地球內(nèi)部的情況，確實很困難，但并非沒有辦法。
前蘇聯(lián)科學家曾經(jīng)往地下鉆了一個12263米的深孔，這就是著名的科拉超深鉆孔。該鉆孔位于毗鄰挪威的科拉半島，純粹是為了科研目的而進行的鉆探任務(wù)。目前世界上最深的鉆探深度是位于俄羅斯庫頁島的一處油井，鉆探深度達12345米。
地球上時常有火山噴發(fā)，從地球深處流出的熔巖也能讓我們了解地球內(nèi)部的部分情況。除了火山噴發(fā)，地球上每天都會發(fā)生大大小小的地震，通過研究地震也能了解地球內(nèi)部的情況。
CT是醫(yī)院中常見的一項檢查，CT的中文名叫做計算機斷層掃描。利用x光掃描人體，由于人體不同組織器官對x光的吸收和透過程度不同，于是就可以建立人體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像，同時也能發(fā)現(xiàn)身體中哪些部位出現(xiàn)病變。發(fā)生地震時，會產(chǎn)生地震波，利用地震波代替x光，地震波遇到不同地層結(jié)構(gòu)時傳播狀況會發(fā)生變化，這樣科學家們就能了解到地球內(nèi)部的情況，這就好比給地球做CT。
地震波是一種機械波，機械波可以分為橫波和縱波，它們在不同材質(zhì)中的傳播特性不同。比如，地震波在傳播過程中，橫波就不能穿透外地核。再根據(jù)其它實驗數(shù)據(jù)，就能大致摸清地球內(nèi)部的情況，包括地層結(jié)構(gòu)，及不同圈層的密度、壓力、物質(zhì)種類和物相等數(shù)據(jù)。
通過長期的研究，科學家給地球分了三個同心球?qū)?，從?nèi)到外依次為：地殼、地幔和地核。地殼與地幔之間由莫霍面分開，地幔與地核之間由古登堡面分開，這些都是根據(jù)地震波的傳播情況來劃分的。地殼很薄，上地幔上部有一個軟流層，整個地殼就仿佛漂浮在上面。地震通常發(fā)生在地殼之中，巖漿則來源于軟流層。
地幔和地核屬于地球內(nèi)部圈層，地核主要由金屬鐵和鎳構(gòu)成，外地核是液態(tài)金屬，內(nèi)地核則是固態(tài)金屬。地殼與地幔的交界地帶，溫度大約在1000攝氏度左右；地幔與地核的交界地帶，溫度大約在4000攝氏度左右；內(nèi)地核的溫度則與太陽表面的溫度相當，核心處的溫度可能高達6800攝氏度。地球內(nèi)部溫度雖然隨著深度的增加而增加，但并不是呈線性增長。
地球內(nèi)部有源源不斷的熱源
地球表面平均溫度大約15攝氏度，主要受太陽輻射影響。而在不見天日的地下，高溫則來源于地下熱源，并且溫度會隨著深度的增加而增加。
地球內(nèi)部的熱量有三個來源：
1.地球誕生之初的殘余熱量。
地球是由巖石碎片在引力的作用下形成的，這些巖石碎片不斷的碰撞并聚集，動能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能。因此，在地球誕生之初，不僅內(nèi)部，整個地球表面也都處于熔融狀態(tài)。經(jīng)過長時間的冷卻，地表的熱量以輻射的方式散發(fā)到太空中，地球表面才逐漸冷卻變硬，然后才有了海洋和生命。目前，這部分熱能僅占很少一部分。
2.地球內(nèi)部放射性元素衰變后產(chǎn)生的熱量。
地球誕生之初，大量放射性元素沉積到地球內(nèi)部，現(xiàn)在主要是鈾-238、鈾-235、釷-232和鉀-40等放射性元素。這些放射性元素衰變后會釋放熱量，然后聚集在地球內(nèi)部。旅行者號探測器就是利用放射性元素衰變產(chǎn)生的能量供電，一塊電池就可以使用好幾十年。鈾238的半衰期為44.7億年，釷232的半衰期為141億年，這些放射性元素都能源源不斷地給地球提供熱能。
3.太陽月亮等天體的潮汐力導致的摩擦生熱。
天體之間存在引力，而太陽和月亮的引力能夠使地球發(fā)生形變，當它們之間相互運動時，地球內(nèi)部的物質(zhì)會發(fā)生相對運動，摩擦能夠生熱，這也能為地球內(nèi)部提供熱能。
木衛(wèi)二就是一個很好的例子，木衛(wèi)二主要由冰構(gòu)成，木星及其衛(wèi)星的潮汐力產(chǎn)生的熱能使得木衛(wèi)二的冰層下面存在液態(tài)海洋。
正是有這三種熱源，即使地球不斷由內(nèi)向外散熱，內(nèi)部依然能夠保持高溫，而且地球外層巖石也足夠保溫。
地球內(nèi)部能夠長期保持高溫，還在于散熱速度慢
即便是滾燙的熱油，長時間不加熱，隨著熱量的流失也會冷卻。如果把熱油放進保溫瓶中，則可以減緩油的降溫速度。
地球內(nèi)部這么熱，除了熱源，還與散熱速度有關(guān)。地球內(nèi)部處于高溫高壓狀態(tài)，動輒上千攝氏度，而地球表面的溫度卻很低，這說明地球外層起到了一個很好的保溫作用。同時，太陽的輻射熱量也很難從地表傳遞到地球內(nèi)部。
熱量傳遞的方式有三種，分為熱對流、熱傳導、熱輻射。熱對流主要發(fā)生在流體中，熱傳導主要發(fā)生在固體中，熱輻射則是無接觸的電磁輻射傳熱。地球懸浮在太空中，而太空幾乎是真空，那么地球向外界傳遞熱量的主要方式就是熱輻射。此外，地球內(nèi)部的熱傳遞也很緩慢；雖然地球內(nèi)部存在液態(tài)物質(zhì)，但是在高壓之下，熱對流也十分緩慢。
地球內(nèi)部本身就有熱源，再加上地球外部圈層的保溫作用，基本達到了一個熱平衡狀態(tài)，使地球內(nèi)部在幾十億年之后仍然能夠保持較高的溫度。
5000多攝氏度下，地核物質(zhì)為什么仍然能夠以固態(tài)形式存在？
太陽是一個大火球，更準確來說是一個等離子體。太陽核心處的溫度高達1500萬攝氏度，而太陽表面溫度約為5500攝氏度。等離子體簡單來說就是離子化的氣體，給氣態(tài)物質(zhì)繼續(xù)加熱升溫，就會發(fā)生電離，繼而產(chǎn)生等離子體。我們看到的閃電就是等離子體。
地球核心處的溫度高達5000～6000攝氏度，這足夠融化目前已知的所有物質(zhì)。內(nèi)地核依然能夠保持固態(tài)，能夠達到這么高的溫度，都是超高壓的杰作。
在標準大氣壓下，如果把氣態(tài)氧氣壓縮成液氧，它的溫度將會降至零下183攝氏度以下；繼續(xù)加壓，液氧將會變成固態(tài)氧，溫度也會變得更低。而在絕熱條件下，也就是沒有與外界進行熱交換的情況下，給液體加壓，液體不僅會變?yōu)楣虘B(tài)，溫度還會升高。內(nèi)燃機在壓縮沖程時就用了這個原理進行點火。
地球內(nèi)部就好似一個絕熱體系，隨著壓力的增加，溫度變得越來越高，也就很好理解了。地核主要由鐵和鎳構(gòu)成，它們的熔點和沸點本來就高。在6000攝氏度的高溫條件下，由于是超高壓環(huán)境，物質(zhì)依然保持固態(tài)也就不奇怪了。此時，物質(zhì)的密度必然很高。
如果地球內(nèi)部完全冷卻，生命將不復存在
短期來看，發(fā)熱與散熱平衡，地球內(nèi)部依然保持恒溫狀態(tài)；但是長期來看，從地球誕生那一刻，降溫就是地球內(nèi)部溫度變化的長期趨勢。忽略太陽的影響，再過數(shù)十億年，地球內(nèi)部的溫度必然比現(xiàn)在低。
如果地球內(nèi)部逐漸冷卻，地殼運動將會變緩，火山將會逐漸變成死火山，這意味著火山和地震爆發(fā)的頻率將會降低。隨著外地核冷卻，地球磁場也將會變?nèi)?。在太陽風的吹拂下，地球大氣層會越來越薄、直至消失，地球上的水也會緩慢流失到太空中去，這將會威脅到地球上的生命。
火星就是一個很好的例子?；鹦琴|(zhì)量僅為地球質(zhì)量的14%，但是很多方面跟地球很像。NASA的好幾個火星探測車已經(jīng)在火星上探索了20來年，發(fā)現(xiàn)火星上曾經(jīng)也存在大量的液態(tài)水和濃厚的大氣。火星由于內(nèi)部熱量散失的較快，又沒有太多熱源補充，導致內(nèi)核冷卻、磁場變?nèi)?。太陽系最大的火山“奧林匹斯山”就位于火星，如今已是死火山。在太陽風的作用下，火星上很大一部分水和大氣都逃逸到太空中去了。當然，這和火星質(zhì)量太小也有關(guān)系，火星引力的束縛力度比較弱。
現(xiàn)階段來看，就算幾十億年后太陽衰老變成白矮星，地球內(nèi)部也不會完全冷卻，完全沒必要擔憂。
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