地球已经形成了45亿年,为啥核温度仍然很高?

地球已经形成了45亿年,为啥核温度仍然很高?

我们所在的太阳系形成于距今45亿年前,那个时候这部分区域由众多分布密度相对集中的星云气体和尘埃物质所组成,在引力扰动影响下逐步聚集,最终形成了由太阳、各大行星和相应卫星、以及小行星、彗星等共同组成的太阳系。由于地球本身是行星的限制,内部不会像恒星那样因核聚变而产生热量,而是源源不断地向外界散发热量,那么为什么经过了漫长的45亿年,地球的内核温度依然很高呢?

地球的内部结构及温度变化

要想了解地球内部的情况,需要追溯地球的形成历史。通过科学家们长期的探测研究以及相应的推论分析,认为地球在最初形成时,其经过的原始过程与太阳的核心以及其它行星的形成过程基本一致,都是在引力作用下吸聚越来越多的星际物质,由此在巨量物质的碰撞以及坍缩过程中积累的能量,转化为内核的热量,从而推动内核温度的持续提升,只不过太阳的核心当时所吸聚的星际物质总量,占据了太阳系所有星体胚胎的绝大部分比例,然后激发了内部物质核聚变的临界,而其它积聚物质的核心,只能依靠继续吸收周围没有被太阳吸收的物质,以及被太阳风吹过来的星际物质,来缓慢增长其质量,最后依据距离太阳的远近逐步形成岩质行星和气态行星。

在地球的形成之初,地球的内部,以及表面的大部分区域,都因高温环境而呈现熔融态,用“一片火海”来形容一点都不过分,正是原始地球的这种状态,奠定了地球由内到外热量存在的基础。随着时间的推移,在以热辐射为主要热量传递方式的作用下,地球的表面热量逐渐向宇宙空间散失,地球慢慢地发生冷却。地球的这种逐渐冷却的过程,一方面推动地球中水蒸气的持续冷凝和升华,对地球表面地形地貌的形成奠定了基础,也为原始海洋的形成提供了水汽和能量的积累条件。另一方面,也在物质密度不同的带动下,从熔融态岩浆中逐渐分离出了比重不同的物质发生相应的沉积,密度越大的向内核深处移动的速率较快,密度较小的则依次留在了外层,推动形成了地球的不同圈层状态。

根据科学家的研究和判断,地球从内向外依次分为地核、地幔和地壳三大圈层的论断也逐步深入人心。在地球最内部,分布着半径约为3000多公里的地核,主要由固态(内地核)和液态(外地核)的铁、镍等形成的致密性、黏稠性非结晶态物质构成,温度达到5500-6000摄氏度,这里压力也非常大,甚至可以达以上百万个标准大气压。在内核的外层,即外地核,温度比内核逐渐降低,呈现的是以液态金属为主的流动性包裹层,这部分流动性的高温金属性物质,为地球磁场的形成提供了物质和运动基础。

在外地核之上,是厚度平均2800公里的地幔层,地幔层又可根据组成物质及其形态的差异,分为上地幔和下地幔两个层次,其中下地幔温度较高,可以达到3500-4000摄氏度,以非晶质的铁、镍硫化物等柔性物质为主;上地幔温度较低,与地壳交界处的温度降至1000摄氏度以下,主要以硅铝、铁镁等矿物质为主。

在地球的最表面,分布着厚度最小的地壳层,其中海洋地壳厚度较小,平均为12公里,大陆地壳较厚,平均为35公里,分别由硅镁、硅铝矿物质为主。一般情况下地壳每下降100米,温度平均升高1-2.5摄氏度。

地球温度保持的内部机制

从地球的形成过程来看,地球内核温度之所以下降得很慢,主要原因在于以下几个方面:

  • 原始地球形成之初转化的能量。在地球诞生之前,是由大量的星际物质,通过核心区的引力作用,逐步向内被吸收成为地球的组成物质,而在被吸积的过程中,这些星际物质本身所具有的角动量以及引力势能,都会转化为地球内部的热能。与此同时,这些组成物质之间也会发生剧烈的碰撞和摩擦产生大量热能,在物质沉降的过程中热能被进一步放大而且被封存在内部,奠定了地球热能的基础。

  • 放射性物质的衰变释放的能量。这个过程同样发生在地球形成的初期,大量放射性物质,比如长周期放射性物质钾-40、铀-235、铀-238、钍-232等,以及其它一些放射性物质铝-26、铁-60等等被地球的引力所捕获,逐渐在地球内核处沉积和聚集,在这些放射性物质衰变过程中将会释放大量的能量,从而以热能的形式在地球内部积聚。相较于火星、金星等其它行星,地球所吸引的这些放射性物质的数量明显高出很多,因此在几十亿年间可以为地核的热量维持提供源源不断地能量输入。

  • 外部固态的圈层延缓了热量的对流性散失。一般情况下,固态物质相较于液态和气态,发生热对流的效率明显较低。而在几十亿年的漫长岁月中,地球从外向内逐步因温度的降低而发生固化现象,地壳和上地幔的冷却凝固,形成了密闭性较强的外层岩石包裹层,从而延缓了从内核向外发生热对流的速率,在一定程度上阻碍了地核内部热量的快速散失。

地球温度保持的外部因素

对于一个系统来说,决定着这个系统整体温度的高低,还会受到输入到这个系统的能量与系统向外散发热量之间的差异。从地球的角度来看,影响着其温度的保持,至少有以下几个方面的原因:

  • 太阳辐射源源不断的能量输入。既为地球提供了直接的外部输入性能量,同时也是地球上物质循环和水汽循环最直接的能量来源,更为重要的是为地球上生命的形成以及各种生物的演化提供了直接的能量驱动。

  • 地球大气层的保温作用。对于太阳短波辐射来说,大气层除了阻挡和吸收紫外线和一部分高能射线射向地表之外,大部分的能量可以直达地表。而对于来自地球的长波辐射,却有强烈的吸收和反射作用,这部分长波辐射,一方面来源于太阳的辐射能量,还有一部分来自于地核内部缓慢积累传递到地球的热量,正是由于大气层对于长波辐射的吸收和反射,使得地球的热量长时间得以保持,而不是直接暴露在宇宙空间中而快速散失。

总结一下

地球之所以从诞生45亿年之后,内核始终处于高温状态,得益于地球形成之初所吸聚物质本身转化的热能、放射性物质衰变释放的热能、外层固态岩层对于热对流的阻止作用等这些内部机制,同时也得益于太阳辐射以及大气层保温这些外部因素的加持,使地球整体上的热量始终维持在一个相对平衡的状态,热量散失的速率非常低,以至于以亿年为单位来衡量差异都较小。不过可以肯定的是,由于地球内核热量的产生机制是不可持续的,随着在更长时间尺度的推移,地球内核的温度还是会缓慢地下降的。

地球诞生在45亿年前的一个原行星盘中,跟随地球诞生的还有太阳、三颗岩石行星、四颗气态巨行星、矮行星以及一些小行星,它们共同组成我们现在所看到的规律运行的太阳系。

诞生太阳系的原行星盘是一个充满大量氢、氦以及各种重元素的气体云,这些物质在引力的作用下,缓慢的聚集形成了各种大小的物质结构,其中以太阳的质量最大,它主导着太阳系中99.86%的物质质量,其他的所有天体只不过是太阳形成后剩下的边角料。由于物质在聚集的过程中引力势能的释放会转化为能量,因此巨大的太阳在其核心首先点燃了核聚变。

同时由于重元素的沉降以及太阳风的剥离,导致了剩余的轻元素被吹到了太阳系的外围,而重元素则会更加靠近太阳本身,因此在太阳内部形成了四颗岩石行星,外围是4颗气态巨行星。同样的行星在形成的过程中,也会由于引力势能的释放,整个星球被加热,所以说,当地球刚开始形成的最初几百万年间,不仅是地核,就连地表也是熔融状态。

不过随着地球以热辐射的方式向宇宙空间中不断地释放热量,在45亿年后地今天,地表早已经冷却,但地核至今还处在高温熔融地状态,这说明地球整个结构地保温能力相当好,不仅如此,地球内核中还有持续地能量供给,这也是地球地核没有冷却地主要原因。

先说下地球地结构

地球至今还没有完全冷却的主要原因还是跟地球的质量和体积有主要的关系,如果一个行星体积很小,地核就很容易因为热量的散发而冷却,其中火星就是这样,由于火星的质量只有地球的14%,直径约为地球的53%,科学家也推测,之所火星的地核已经完全冷却的主要原因就是它太小的,保温能力很差。

虽然我们生活在地球上,但是我们人类其实对地球的内部结构不是特别的清楚,毕竟我们看不到地下结构,也不能直接去研究地球的结构,只能通过间接的方式来获取地球内部的信息,我们通过对地震波在不同层传播速度的变化,将地球的结构分为岩石圈、地幔圈以及地核圈。其中在岩石圈之上还有生物圈、水圈和大气圈。

岩石圈就是我们常说的地壳,以氧、硅、铝这些化学成分为主,平均密度为2.9g/cm3,地壳是地球各个圈层中最薄的一层,并且各个地方薄厚差别很大,在高原或者高山地区地壳的厚度可以达到70公里左右,而在海底有些地方的地壳厚度只有1.6公里,整个地球的平均厚度在17公里左右,虽然说地壳最薄,但是我们人类目前最深的钻孔连地壳也没有穿透。因此地球内部对我们来说,还蕴藏着巨大的未知。

地壳之下就是地幔,地幔分为上地幔和下地幔,整个地幔的厚度达到了2850km左右,体积为整个地球的82.3%,质量占了整个地球的67.8%,所以地幔是地球最主要的组成部分,相比于地壳地幔的铁含量明显增加,整体的平均密度要不地壳大为5.1g/cm3,而且温度高达3500-4000摄氏度,为固态和液态物质的混合物。

地幔之下就是地核,地核分为液态外核和固态内核,半径约有3470 km,占了地球总体积的16.2%,但是其质量却高达31.3%,这说明地球内核的物质密度非常大, 主要为铁、镍等物质。温度在4000到6800摄氏度,这里有个问题就是,内核的温度更高为何为表现为固态,原因就是内核的压力非常大,达到了360万个大气压,在这样的压力下导致了铁的高温下的相位表现为固态。外核的压力稍微能低一些,为136万个大气压,所以温度更低的外核表现为液态。

从地壳到地幔再到地核,我们就能发现组成其物质的密度在不断的增加,这时因为地球引力的作用使得更重的元素,在地球形成期间不断地往下沉降造成地,目前的地球重元素还在不断的发生沉降,未来会达到最完美的物质分布状态。

地球为何还没冷却

对地球结构的分析我们可以看出,地球的各个层十分庞大,能够有限的阻挡热量向外传递,尤其是上地幔和地壳已经形成了一个固态致密的包裹层,能对地核的热量起到很好的保温效果。而且,地球内部的巨大压力和引力收缩也会为地球内部提供一定的能量。

除了以上的原因,在地球内部还存在着大量的放射性元素,例如:铀-235、铀-238、钍-232,这些放射性元素的衰变也会为地球内部带来源源不断地能量。

所以,地球地核温度的冷却速度非常缓慢,就算等到太阳毁灭,地球的核心也不会因为自身的散热,完全冷却为固态。


地球虽然形成了45亿年,但地球深处有三个主要的热源造成地核温度仍然很高:1、地球形成和增大时产生的热量,这些热量尚未消失;2、摩擦加热,由更致密的核心材料下沉到行星中心引起;3、放射性元素衰变产生的热量。 热量离开地球需要相当长的时间。这是通过液体外核和固体地幔内的热量“对流”传输和通过非对流边界层(如地表的地球板块)的较慢的热量“传导”传输来实现的。

结果,从地球第一次增大和发展其核心时起,地球的大部分原始热量就被保留了下来。 通过简单的增生过程产生的热量很大,这些过程将小天体聚集在一起形成原始地球:大约18000华氏度(1华氏度=-17.222摄氏度)。关键问题是有多少能量被储存到生长中的地球上,又有多少能量被重新辐射到太空中。事实上,目前公认的月球是如何形成的想法包括火星大小的物体与原地球的碰撞或吸积。当两个如此大的物体碰撞时,会产生大量的热量,其中相当一部分被保留下来。这一集很大程度上融化了地球最外层的几千公里。

此外,构成地球核心的致密富铁物质下降到中心会产生大约3000华氏度的热量。第三个主要热源——放射性加热的大小还不确定。地球深处放射性元素(主要是钾、铀和钍)的精确丰度知之甚少。 总之,早期地球并不缺乏热量,地球无法快速冷却导致地球内部持续高温。实际上,不仅地球的板块在内部充当了一个毯子,甚至固体地幔中的对流热传递也没有为热量损失提供特别有效的机制。

地球确实在推动板块构造的过程中损失了一些热量,尤其是在大洋中脊。相比之下,火星和月球等较小的天体几乎没有显示出近期构造活动或火山活动的证据。 我们从超高压下铁的熔化行为得出对地球深部温度的初步估计。我们知道地球的核心深度从2886公里到中心6371公里,主要是铁,还有一些污染物。怎么做?声音穿过地球核心的速度(从地震波穿过核心的速度来测量)和核心的密度与在实验室测量的高压高温下铁的密度非常相似。铁是唯一与地核的地震性质紧密匹配的元素,而且在宇宙中也足够丰富,足以构成地核中行星质量的大约35%。

地核被分成两个独立的区域:液体外核和固体内核,两者之间的过渡位于5156公里的深度。因此,如果我们能够在内外芯之间的边界的极端压力下测量铁的熔化温度,那么这个实验室温度应该合理地接近这个液-固界面的真实温度。矿物物理实验室的科学家使用激光和被称为钻石砧的高压设备来尽可能地重现这些地狱般的压力和温度。 这些实验提出了一个严峻的挑战,但是我们对在这些条件下铁的熔化温度的估计在华氏7600到13000度之间。由于外核是流体,可能对流(并对外核中杂质的存在进行了额外的校正),我们可以将这个温度范围外推至地幔底部(外核顶部)的温度,大约为地幔底部的5800至9400华氏度。

地球内部的很大一部分(外核)是由不纯的熔融铁合金组成的。在深层土壤条件下,铁的熔化温度很高,因此提供了深层土壤相当热的初步证据。 我们真的不知道——至少不是非常确定或精确。地球的中心位于我们脚下6400公里,但有史以来钻探直接测量温度(或其他物理量)的最深处只有大约10公里。 具有讽刺意味的是,地球的核心远没有直接探测那么容易。我们不仅没有“进入核心”的技术,而且根本不清楚如何做到这一点。 因此,科学家必须间接地推断地球内部深处的温度。通过观察地震波穿过地球的速度,地球物理学家可以确定无法直接探测的深度处岩石的密度和硬度。

如果有可能在高温高压下将这些特性与已知物质的特性相匹配,就有可能(原则上)推断出地球深处的环境条件。 这方面的问题是,地球中心的条件如此极端,很难进行任何准确模拟地核条件的实验室实验。尽管如此,地球物理学家仍在不断尝试这些实验,并对其进行改进,这样他们的结果就可以外推至地球中心,那里的压力是大气压力的300多万倍。 这些努力的底线是,目前对地球核心温度的估计范围相当广。估计范围从大约华氏7000度到12000度。

如果我们在高压下非常精确地知道铁的熔化温度,我们就可以更精确地确定地核的温度,因为地核主要由铁水组成。但是,在我们在高温高压下的实验变得更加精确之前,我们这个星球基本特性的不确定性将会持续存在。

地球起源用康德星云假说来解释显然是说不通的,这个假说的死结就是行星的角动量分布:

八大行星中有6个公转和自转方向一致,但金星是逆的,天王星是躺着自转的。

所有理论或假说只要有一个事实不能解释就需要修正或被彻底否定。下面用一句话解释本题:

地球的爸爸是在46亿年前爆炸的一颗超新星,构成地球的物质比太阳中年轻物质要更加古老,由超新星爆炸抛射到太空中的炽热气态残骸组成,这些物质在地球大约10亿年的太空游荡过程中在寒冷的太空中逐渐冷却就形成现在的正球形赤道略长的地球,由于受厚厚的地幔保护,地球内核依旧是炽热高温状态。

首先,地球有一个保温层,就是大气层。

大气层的存在使得地球表面温度比较稳定,同时具有温室效应,避免了地表热量的流失,也不会使得地球整体降温太快。

在早期地球,形成初期的几亿年中,地球的温度是非常高的,表面整天有无数的陨石天体撞击,温度经常维持在几千度的水平,当时还没有大气层,但常年不断的撞击,产生的热量也很难散去。

而核心区域温度更高,随着陨石撞击的此数减少,地表温度慢慢降了下来,海洋和大气逐渐出现,最终地表温度维持在几十度的范围。但核心的热量却难以快速降低,因为外层是岩石层,再外面还有大气保持温度,所以地心的热量只有通过火山爆发释放出来。

另外,地球内部还存在着放射性元素,也再不断的释放着热量,这也会导致地球内部的热量维持不断。

再有一个,地球内部也存在着运动,因为地球内部除了核心部位,大部分是熔岩状态的地幔,在早期的地球,这里的 运动会比现在更剧烈。因此,在这种运动下,也会导致内部摩擦产生热量。

综合以上,可以看出,一方面地球内部的热量扩散的非常慢,另一方面内部还在产生一定的热量。因此,尽管经历了几十亿年,地球内部依然保持着较高的温度。

谢邀!

据估计,从地球内部传导到地表的热流约47万亿瓦,而炽热的地球核心达到5500摄氏度。

地球內部热量来源估计有两种。

一是地球遗存的原始热。地球己存在45亿年了,地表温度早已下降,但核心区域温度仍高。原始热包括了被多次撞击产生的热量。

二是地球内部放射性元素产生热量。放射性元素包括铀钍。如果没有这种放射性衰变过程,地球上火山地震将会减少。

虽然现在地球一直向外耗散热量,但由于其自身产生热量得以补充,这是地球内部温度仍高的原因。

地球已经形成45.5亿年了,时间过去了那么久,为何地球内部的温度依然那么高呢?

开门见山,直接说明2个原因:地球刚形成时候的原初热量以及地球内部富含的放射性元素衰变产热,这2个原因是地球内部温度依然还那么高的直接因素。

回到45.5亿年之前,地球还是一个行星胚的时候,由于数百万、数千万年的持续吸积过程,大量的天体撞击积聚形成了原始地球。原始地球的表面温度甚至高达一千摄氏度,到处是沸腾的岩浆。而且,仍然有大量的天体撞击着地球,热量持续产生。

约1亿年的冷却,地球表面彻底冷却下来形成了地壳,而内部仍然具有很高的温度,这是当初地球在吸积的时候产生的原始热量,被保持了下来,以及下面即将要提到的情况。

另一种因素就是放射性元素衰变时候产生的热量。在地球内部存在大量的放射性元素,放射性元素在衰变的时候,其原子核会自发地向外界发射出射线或者是粒子,过程中会产生热量,旅行者一号搭载的核电池就是利用的这个原理,利用衰变过程中产生的热量来发电。在地球内部,放射性元素衰变产热主要来源于以下几种放射性元素:K-40、Th-232、U-235、U-238。

以上的这2种原因,它们各自所提供的热量是相当的,是地热的主要提供者。除此之外,还有其它的因素。

地球有较好的保温作用,地球有浓密的大气层,在过去的四十多亿年的时间里,地球损失的热量与产生的热量大体上是相当的,所以地球散失热量是一个极为缓慢的过程。在地球的核心处,几乎相当于太阳的表面温度,达到了5500 ℃,正因为地球核心处这么高的温度,使得铁、镍金属呈现出液态,其液态的金属对流形成了磁场,磁场保护了地球上的生态系统,如果没有磁场,那么地球就像火星一样,变成光秃秃的星球,毫无生机。

文/科学船坞


当地球刚开始形成的最初几百万年间,不仅是地核,就连地表也是熔融状态。

不过随着地球以热辐射的方式向宇宙空间中不断地释放热量,在45亿年后地今天,地表早已经冷却,但地核至今还处在高温熔融的状态,这说明地球整个结构地保温能力相当好,不仅如此,地球内核中还有持续地能量供给,这也是地球地核没有冷却地主要原因。

地球至今还没有完全冷却的主要原因还是跟地球的质量和体积有主要的关系,如果一个行星体积很小,地核就很容易因为热量的散发而冷却,其中火星就是这样,由于火星的质量只有地球的14%,直径约为地球的53%,科学家也推测,之所火星的地核已经完全冷却的主要原因就是它太小的,保温能力很差。

地热能是一种可再生资源。地球已经放出热量大约45亿年了,并且由于地核中正在进行的放射性衰变,未来几十亿年还会继续放出热量。

地球为何还没冷却

对地球结构的分析我们可以看出,地球的各个层十分庞大,能够有限的阻挡热量向外传递,尤其是上地幔和地壳已经形成了一个固态致密的包裹层,能对地核的热量起到很好的保温效果。而且,地球内部的巨大压力和引力收缩也会为地球内部提供一定的能量。

除了以上的原因,在地球内部还存在着大量的放射性元素,例如:铀-235、铀-238、钍-232,这些放射性元素的衰变也会为地球内部带来源源不断地能量。

可以看一下我作品里面的空心地球,科学家给地球分了三个同心球层,从内到外依次为:地壳、地幔和地核。地壳与地幔之间由莫霍面分开,地幔与地核之间由古登堡面分开,这些都是根据地震波的传播情况来划分的。地壳很薄,上地幔上部有一个软流层,整个地壳就仿佛漂浮在上面。地震通常发生在地壳之中,岩浆则来源于软流层。地球表面平均温度大约15摄氏度,主要受太阳辐射影响。而在不见天日的地下,高温则来源于地下热源,并且温度会随着深度的增加而增加。

地球内部的热量有三个来源:

1,地球诞生之初的残余热量。

地球是由岩石碎片在引力的作用下形成的,这些岩石碎片不断的碰撞并聚集,动能转变为内能。因此,在地球诞生之初,不仅内部,整个地球表面也都处于熔融状态。经过长时间的冷却,地表的热量以辐射的方式散发到太空中,地球表面才逐渐冷却变硬,然后才有了海洋和生命。目前,这部分热能仅占很少一部分。2,地球内部放射性元素衰变后产生的热量。

地球诞生之初,大量放射性元素沉积到地球内部,现在主要是铀-238、铀-235、钍-232和钾-40等放射性元素。这些放射性元素衰变后会释放热量,然后聚集在地球内部。旅行者号探测器就是利用放射性元素衰变产生的能量供电,一块电池就可以使用好几十年。铀238的半衰期为44.7亿年,钍232的半衰期为141亿年,这些放射性元素都能源源不断地给地球提供热能。

3,太阳月亮等天体的潮汐力导致的摩擦生热。

天体之间存在引力,而太阳和月亮的引力能够使地球发生形变,当它们之间相互运动时,地球内部的物质会发生相对运动,摩擦能够生热,这也能为地球内部提供热能。

木卫二就是一个很好的例子,木卫二主要由冰构成,木星及其卫星的潮汐力产生的热能使得木卫二的冰层下面存在液态海洋。散热速度慢是地球内部能够长期保持高温的另一原因

即便是滚烫的热油,长时间不加热,随着热量的流失也会冷却。如果把热油放进保温瓶中,则可以减缓油的降温速度。

这里有两个原因:1,地壳都岩石(热的不良导体),阻碍地球内部的热量,很难散失。2,地球内部仍然有缓慢的聚合反应,补充散失的热能。

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