地球,是人类生存的家园,其内部结构与运行机制蕴含着无尽的奥秘。随着科学的进步,我们对地球的认知不断深化,而科幻作品则以独特的视角,为我们展现了地球在极端状况下的可能情景
从宏观角度看,地球是一个多层次的系统,其结构复杂,物质分布不均。地质学家借助多种科学方法,如钻探、震波探测、深部样本分析和实验室模拟等,依据不同深度物质的物理特性,将地球划分为不同圈层。
其中,广为人知的是地壳、地幔和地核三层结构。但若深入探究地球的物态,会发现其圈层结构远比我们所熟知的更为丰富。
地壳与地幔顶部共同构成了约 100 千米厚的固态岩石圈。在这一岩石圈中,存在着康拉德界面和莫霍洛维奇面,它们标志着地震波速和地壳密度的突变。
岩石圈主要由镁铁质岩石、长英质岩石和地幔橄榄岩组成,平均密度在 2.7 至 3.9 克每立方厘米之间,底部温度可达 1100℃,承受的压力为 1 吉帕。岩石圈具有较大的切变模量和较小的体变模量。
而在岩石圈下方,是处于部分熔融状态的软流圈,其温度在 700 至 1300℃之间,主要由高粘度的“软物质”构成,状态介于流体与固体之间,且物质处于活跃的运动状态,与上下圈层保持着动态平衡。除去上地幔顶部的软流圈,上下地幔则是切变模量和体变模量都很高的固态层,温度在 1300 至 3700℃之间,压力在 7 至 135 吉帕之间。在探讨地球的各种可能性时,一些假设情况及其可能带来的影响不容忽视。例如,假设地球停止自转,这将引发一系列深刻的变化。
在科幻作品《流浪地球》中,设定经过 42 年实现地球停止自转。尽管在漫长的地质时间中,42 年只是短暂一瞬,但对固体地球的影响却极为显著。
地球内部存在着几股强大的高温物质流动,从地核 - 地幔边界向上涌至岩石圈,这被称为地幔热柱。地幔热柱将地核和地幔中的物质与能量输送至岩石圈附近,对板块运动产生重要影响。
有学者认为,地球上海洋与陆地、高山与裂谷的形成与消亡,可能与地幔热柱的活动紧密相关。在板块的形成、发展与消亡过程中,伴随着无数次地震、火山喷发和岩浆活动,其中某些地质事件的强度可能远超人类记录,对人类产生不可忽视的影响。
当我们进一步探讨加速地球并将其推出太阳系的假设时,情况变得更为复杂。此时,地球内部的压力平衡状态至关重要。
地球的铁合金核心在极高压力下被均匀压缩,密度可达 12 克每立方厘米,体积仅为常压下铁合金的 60%。当启动行星发动机时,若岩石圈保持完整,发动机产生的剪切力会影响整个岩石圈,使其开始加速运动。
然而,由于地球内部存在两个液态圈层,行星发动机的剪切力无法有效传递给这些液态物质,导致地幔和内核不会随之加速。此时,地核与地幔的相互作用会使它们向岩石圈加速的反方向移动。在这种情况下,可能会产生一系列严重后果。在几个月到几年的时间内,地幔有可能突破软流圈和岩石圈的限制。
即使我们侥幸将推力通过软流圈传递到地幔中部,液态外核的问题依然难以解决。此时,由于地核向加速的反方向运动,靠近发动机一侧的地核压力会骤然降低,体积增大,而另一侧的地核体积则会减小,这将引发部分下地幔的压缩坍塌。
最终,地核可能泄漏到发动机一侧的地壳,而南半球的地壳可能被卷入地幔,以弥补下地幔的压缩损失。这样的结果可能使地球回到太阳系形成初期的火球状态。倘若我们设想将地球的两个液态圈层冷却至固态,这无疑是一项极其艰巨的任务。凭借地表 61 毫瓦每米的热导率,若采用自然冷却方式,冷却过程需要数十亿年。
即使采用某种手段间接加速地核和地幔的冷却,所需释放的热量也极为庞大。此外,即使地球内部成功冷却,由于从地表到地核的压力梯度高达 360 千兆帕,某些物质在常温高压下仍可能呈现液态或“软流”特征。
因此,要实现地球的冷却固化,并确保在加速过程中的安全,极具挑战性。
通过对地球内部结构和各种假设情况的探讨,我们更加深切地认识到地球的复杂性和脆弱性。这也警示我们,在面对地球的未来时,我们必须更加审慎地思考和行动,充分考量人类在其中的角色以及可能带来的影响。