地球,是人類生存的家園,其內部結構與運行機制蘊含著無盡的奧秘。隨著科學的進步,我們對地球的認知不斷深化,而科幻作品則以獨特的視角,為我們展現了地球在極端狀況下的可能情景
從宏觀角度看,地球是一個多層次的系統,其結構複雜,物質分布不均。地質學家藉助多種科學方法,如鑽探、震波探測、深部樣本分析和實驗室模擬等,依據不同深度物質的物理特性,將地球劃分為不同圈層。
其中,廣為人知的是地殼、地幔和地核三層結構。但若深入探究地球的物態,會發現其圈層結構遠比我們所熟知的更為豐富。
地殼與地幔頂部共同構成了約 100 千米厚的固態岩石圈。在這一岩石圈中,存在著康拉德界面和莫霍洛維奇面,它們標誌著地震波速和地殼密度的突變。
岩石圈主要由鎂鐵質岩石、長英質岩石和地幔橄欖岩組成,平均密度在 2.7 至 3.9 克每立方厘米之間,底部溫度可達 1100℃,承受的壓力為 1 吉帕。岩石圈具有較大的切變模量和較小的體變模量。
而在岩石圈下方,是處於部分熔融狀態的軟流圈,其溫度在 700 至 1300℃之間,主要由高粘度的「軟物質」構成,狀態介於流體與固體之間,且物質處於活躍的運動狀態,與上下圈層保持著動態平衡。除去上地幔頂部的軟流圈,上下地幔則是切變模量和體變模量都很高的固態層,溫度在 1300 至 3700℃之間,壓力在 7 至 135 吉帕之間。在探討地球的各種可能性時,一些假設情況及其可能帶來的影響不容忽視。例如,假設地球停止自轉,這將引發一系列深刻的變化。
在科幻作品《流浪地球》中,設定經過 42 年實現地球停止自轉。儘管在漫長的地質時間中,42 年只是短暫一瞬,但對固體地球的影響卻極為顯著。
地球內部存在著幾股強大的高溫物質流動,從地核 - 地幔邊界向上涌至岩石圈,這被稱為地幔熱柱。地幔熱柱將地核和地幔中的物質與能量輸送至岩石圈附近,對板塊運動產生重要影響。
有學者認為,地球上海洋與陸地、高山與裂谷的形成與消亡,可能與地幔熱柱的活動緊密相關。在板塊的形成、發展與消亡過程中,伴隨著無數次地震、火山噴發和岩漿活動,其中某些地質事件的強度可能遠超人類記錄,對人類產生不可忽視的影響。
當我們進一步探討加速地球並將其推出太陽系的假設時,情況變得更為複雜。此時,地球內部的壓力平衡狀態至關重要。
地球的鐵合金核心在極高壓力下被均勻壓縮,密度可達 12 克每立方厘米,體積僅為常壓下鐵合金的 60%。當啟動行星發動機時,若岩石圈保持完整,發動機產生的剪切力會影響整個岩石圈,使其開始加速運動。
然而,由於地球內部存在兩個液態圈層,行星發動機的剪切力無法有效傳遞給這些液態物質,導致地幔和內核不會隨之加速。此時,地核與地幔的相互作用會使它們向岩石圈加速的反方向移動。在這種情況下,可能會產生一系列嚴重後果。在幾個月到幾年的時間內,地幔有可能突破軟流圈和岩石圈的限制。
即使我們僥倖將推力通過軟流圈傳遞到地幔中部,液態外核的問題依然難以解決。此時,由於地核向加速的反方向運動,靠近發動機一側的地核壓力會驟然降低,體積增大,而另一側的地核體積則會減小,這將引發部分下地幔的壓縮坍塌。
最終,地核可能泄漏到發動機一側的地殼,而南半球的地殼可能被捲入地幔,以彌補下地幔的壓縮損失。這樣的結果可能使地球回到太陽系形成初期的火球狀態。倘若我們設想將地球的兩個液態圈層冷卻至固態,這無疑是一項極其艱巨的任務。憑藉地表 61 毫瓦每米的熱導率,若採用自然冷卻方式,冷卻過程需要數十億年。
即使採用某種手段間接加速地核和地幔的冷卻,所需釋放的熱量也極為龐大。此外,即使地球內部成功冷卻,由於從地表到地核的壓力梯度高達 360 千兆帕,某些物質在常溫高壓下仍可能呈現液態或「軟流」特徵。
因此,要實現地球的冷卻固化,並確保在加速過程中的安全,極具挑戰性。
通過對地球內部結構和各種假設情況的探討,我們更加深切地認識到地球的複雜性和脆弱性。這也警示我們,在面對地球的未來時,我們必須更加審慎地思考和行動,充分考量人類在其中的角色以及可能帶來的影響。