东汉张衡在《浑天仪图注》里写道:“天体圆如弹丸,地如鸡中黄……天之包地犹壳之裹黄。”,地球是圆的这个概念在远古就已模糊地存在了 。
723年,唐玄宗派一行和南宫说等人 ,利用子午线估算地球半径为7600千米 ,比现代的数值约大20%。大致估算了地球的质量。
1909年,先就是利用地震波去窥探地球内部的结构。地球物理学家莫霍洛维奇发现“莫霍面”,即地壳和地幔的分界面,在地下大约54公里处。
1914年,地震学家古登堡发现了“古登堡面”,在地球表面之下大约2900公里处,还存在一个明显的分界面,其实就是地幔和地核的分界面。
1936年,地质学家莱曼根据更精确的测量数据发现,地核是分了层的,其中外核为液态,而内核则为固态(地震波的横波不能在液体中传播)。
1993年,试验通过测定了铁的“熔解曲线”,估测地核的温度是5000摄氏度。
2013年5月11日,法国艾格尼丝-德瓦勒科研组利用位于欧洲同步辐射设备的世界最强X光源,再现了与地核承受的压力相同的环境。把一个微小样本放置在两块精密加工合成钻石的尖端之间,通过X光束“衍射”,查看铁晶粒的行为,估测地核的温度是6000摄氏度。
直到进入21世纪之后,科学家才利用先进的测量技术得到了较为准确的结果,即“内核边界”的温度为6230K左右,也就是5956.85℃左右。
测算原理:在标准大气压下,如果我们将冰放进水里,那么当冰和水达到稳定共存的状态时,其温度就一直是0℃,这是因为冰的熔点和水的凝固点都是0℃,如果“冰水混合物”的温度高了,冰就会化成水,反之则水会结成冰,只有在温度在0℃时,冰和水才能稳定共存。
地球内外核的分界面,即“内核边界”温度的测量,有人计算出了“内核边界”的压强大约为329GPa(标准大气压的300多万倍),可行的方法就是,通过实验测量某物质在329GPa的压强下的熔融温度,可被认为是“内核边界”的温度。如此巨大的压强怎么制造出来哪?“静高压实验”,即让两块非常尖的金刚石的尖端互相接触,再对其施加压力,进而在接触处产生极高的压强。“动高压实验”,即通过爆炸释放出的冲击波得到瞬间的高压。
地球经过上亿年的变化,依旧没有浇灭心中的火焰,地球一直处于高温当中,生活在地表上的我们,是感受不到地壳下面的熊熊烈火,地壳下的温度远远超过了太阳的高温,并且还在持续输出当中。地球是个圆形固体,经历了火山喷发和地震,通过岩石分析,我们了解到地球具有许多分层,每层都有自己的作用,分层之间是相辅相成的。
地球向外、向上(以地壳为参照物),分为四个圈层:岩石圈、大气圈、水圈和生物圈。
1、岩石圈:是指地球坚固的岩石外壳,它是生命的层圈。岩石圈由各大陆和面积稍小的岛屿组成。岩石圈中分布着雄伟的丛山、广阔的平原、巨大的盆地和低矮的丘陵,蕴藏着人类需要的各种矿产资源。
2、水圈:包括海洋、湖泊、河流和冰川。它是生命的摇篮。假如地球上没有水,地球是将没有生命。
3、生物圈:地球上的一切生物——包括空气中、海洋里、地上的和地下的——构成生物圈。生物圈是大气圈和水圈的儿女,它们诞生以后由它们的父母大气圈和水圈养育它们。
4、大气圈:由环绕在地球周围的混合气体组成,它是生命的保护圈。大气圈中含量最高的是氮气和氧气,除此以外,还有水蒸气、二氧化碳和其他气体。大气圈像一层松软的棉被包裹着地球,保护着地球。
大气圈又分五层,分别是对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。
自地球表面向上,随高度的增加空气愈来越稀薄,大气的上界可延伸到2000~3000公里的高度,在垂直方向上,大气的物理性质有明显的差异。根据气温的垂直分布、大气扰动程度、电离现象等特征,一般将大气分为五层
大气圈又被称作大气层,是因重力关系而围绕着地球的一层混合气体,是地球最外部的气体圈层,包围着海洋和陆地。
1.对流层、贴近地面的最低层,是大气中最活跃、与人类关系最密切的一层。我们常见的风雨雷电等天气现象就发生在这一层。该层中温度随高度的升高逐渐降低。对流层上界称对流层顶,在赤道地区高度约17~18千米,在极地约8千米;
2.平流层、主要以平流运动为主,有利于高空飞行,飞机一般在这一层中飞行;另外,平流层中的臭氧层吸收太阳紫外线,保护地球上的生物免受太阳的有害辐射。该层中温度随高度迅速增高。从对流层顶至约50千米的大气层;
3.中间层、又称中层,是指自平流层顶到85千米之间的大气层。该层内因臭氧含量低,同时,能被氮、氧等直接吸收的太阳短波辐射已经大部分被上层大气所吸收,所以温度垂直递减率很大,对流运动强盛。
4.暖层或热层,中间层顶至300~500千米的大气层;这一层温度随高度增加而迅速增加,层内温度很高,昼夜变化很大,热层下部尚有少量的水分存在,因此偶尔会出现银白并微带青色的夜光云。
5.散逸层、散逸层又被叫做外层、逃逸层,暖层以上的大气层,也是地球大气的最外层。这层空气在太阳紫外线和宇宙射线的作用下,大部分分子发生电离;使质子和氦核的含量大大超过中性氢原子的含量。逃逸层空气极为稀薄,其密度几乎与太空密度相同,故又常称为外大气层。
地球向里的结构四层,坚硬的外表,火热的心
第一层,地壳,也就是地表,是我们生活的地面环境,地表的承受能力较强,但是同样也很脆弱。人类生活起居都是在地表上,建造房屋、种植、挖掘资源都是先从地壳开始下手,地壳的“防御系统”受到严重破坏,导致地震、海啸、沙尘暴的发生。
地壳是地球固体的最外层,这里陆地平均厚度33公里,高原地带可以达到60多公里,海洋地带平均是7公里,地壳对于地球来说很薄,有个通俗易懂的解释就是,如果把地球比做一个鸡蛋,那么地壳就会比鸡蛋壳还要薄。
第二层,地幔,由上地幔和下地幔两兄弟组合起来的,上地幔的岩石十分坚硬,下地幔的岩石具有流动性,也可以叫做软流圈。上地幔和地壳之间还有岩石圈的存在。
从外核炙热的钢铁海洋再往上,就是2900公里厚的地幔,地幔深处的温度大约有4000°C,而在靠近地表的有些地方也有大约200°C左右。虽然我们看到火山喷发出来的岩浆是熔融的浆糊状流体,但地质学家们认为炙热的地幔却几乎是硅酸盐固体,这是因为它的上方岩石巨大压力可以防止构成地幔的岩石融化。
地幔看起来坚固,但在地心热力的推动下,地幔的硅酸盐固体还是会进行缓慢的蠕动,热的部分被推到上方,冷却的部分慢慢地回到下方再次被加热,这就是“地幔对流”。地幔对流推动上方的地壳发生位置改变,造成高山、峡谷、海沟、火山和地震。地幔对流也同时使地心的温度逐年下降,不过由于地壳的保温作用良好,地心的温度下降得很慢。地质学家们预测,大约还需要再过45亿年,地球核心的温度才会冷却下来,那时候地球就会失去磁场,变成一颗死亡行星。
第三层,地核,也是地球的“心脏”,地核还分为内核和外核,地核是地球热量的来源,从内到外都在不停地散发热量。外核是由铁、镍两种物质组合的液态,温度十分的高,外核的高温还会向内核输出。如果外核是闷热的沙漠,那么内核就是身处火山中的岩浆。温度计还没有达到内核,就已经开始爆碎了,内核的平均温度保持在6500℃,没想到的是,在高温下的内核却是固态的。
通过地震仪测量发现,在地球的最中央,内核是一颗直径约2440公里的铁镍合金球,它的温度高达5430摄氏度,与太阳表面的温度相当。除了铁镍外还有许多其它的元素,包括金、银、铂等贵重金属和硅、氧、硫等一些比较轻的元素。
地心的外层,外核是厚度达到2400公里的流动铁水,它的温度在2,730-4,230°C之间,其中主要也是铁和镍元素,也可能存在一些硫和氧。这一层流动的钢铁海洋非常重要,正是因为它的流动、地心与地壳转动的角速度差,才形成地球强大的磁场,保护了地球上亿万生命不受宇宙辐射的伤害。
地球内部的热量主要来自两个方面:一是地球内部放射性元素衰变产生了大约80%的热,二是地球在45亿年前形成的初期,通过对原行星盘物质的吸积作用积累了大约20%的热能。
在地球形成的早期,它的内部堆积了大量的放射性元素,包括几百万年半衰期的放射性同位素(例如铝-26和铁-60),和长寿命放射性同位素(如钾-40,钍-232,铀-235和铀-238等),放射性元素在衰变的过程中会持续产生大量能量,这些能量转化为热能在地球内部蓄积。由于地球比火星等小的岩石行星积累了更多的放射性金属元素,导致地球内部的产生的热量更持久。相较之下,火星没有持续的内部加热可见表面效应,它在地质上已经“死了”。
同样的,在地球形成早期,由于大量宇宙尘埃在轨道上相互碰撞慢慢变成大石块,大石块再因万有引力渐渐聚集在一起,当它们越聚越多越来越大时,其内部巨大的压力和摩擦就会产生热能,因为地球吸引了足够多的岩石和尘埃,它变得很大,因为内部产生的热能也很多,加上数亿年放射性元素衰变产生的热能,使得早期的地球成为一颗到处翻滚着沸腾岩浆的巨大行星。
今天的地球虽然经过几十亿年的热量散失,它的地壳已经冷却,地幔渐渐变成了固体,这反过来也减缓了内部的对流,从而避免地心的快速降温。有人说地球中心之所以保持着5500℃的高温是因为有核聚变,这是不正确的,地球中心只有重元素,没有氢和氦,因此不具备产生核聚变的基本条件。
地球深处强大的热能是一种清洁的能源,通过向地壳深处打井再注入水,可以将水加热,再利用加热的水蒸汽推动汽轮机发电。目前世界上已经有国家利用干热岩发电,它比现有的许多发电技术都更加节能和环保。
地球的温度高达6000摄氏度,甚至超过了太阳,之所以温度依旧如此之高,有三个原因。
第一个是地球本身原始热量,上面我们提到在最初时期整个地球都是高温熔岩状态,后来地表逐渐冷却,形成了一个长达17公里厚的地壳,其实地壳就相当于起到一个保温作用,它包裹着地球会使核心热量流失的非常缓慢。
地球本身体积质量也非常巨大,热量流失也相对较慢,比如我们的邻居火星。质量只有地球的百分之11,体积也只有百分之15,因此他的核心热量流失比地球快的多,从而导致如今的火星核心早已冷却。
还有一个原因就是地球内部会自身产生热量,事实上在我们的地球内部存在着大量天然放射性元素,比如,铀、钍等等,这些放射性元素在衰变时会不断的在地球核心产生热量,并且可以持续几十亿年的时间。
不过地球核心温度并不会一直保持下去,毕竟这些放射性元素是有限的,当衰变完地球核心便会慢慢冷却,但想要地核完全冷却,大概还需百亿年的时间。
地心温度高达6800摄氏度, 那为什么地表的温度却只有15摄氏度(平均温度)呢?
原因一:地壳,地壳的平均厚度33公里,对于这个厚度,地球肯定是不在乎的,可这对于人类来说已经非常厚了,前苏联挖的最深的钻井才12000多米。地壳的主要构成是岩石,岩石的导热性很差,所以地球内部的热量就被阻隔在这里 。
原因二:地下热传导能力差,熔浆的形态是阻碍热发散的首要原因。地球本身有一个热平衡。无论是地面还是地下,其之上的温度都恰到好处,地面上的温度会传导到地下。这样,表面温度就不会高。
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