火山爆发能量巨大?不好意思,这只占地球热能的2%

2022-06-30 11:20:15 阅读 317 次

火山爆发能量巨大?不好意思,这只占地球热能的2%-湛庐

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地球上存在着地球内热这种能量流,虽然它与太阳辐射比起来微不足道,但却实实在在地影响了生命的演化,而且其对人类文明命运的影响也是不可估量的。

这种能量在一刻不停地重塑着海洋河床,不断地拼接和撕裂陆地。而且这种大型地质构造过程伴随着屡屡发生的毁灭性灾难,比如强地震、横穿海洋的海啸和壮观的火山爆发,这些灾难会重塑地表,也会给生命带来毁灭性的打击。

地球内热的来源有两个:

  • 一个是地球的熔融态金属(大部分是铁)内核的缓慢冷却过程中释放的基础热能

  • 另一个是放射性物质(尤其是铀235、铀238、钍232和钾40)衰变所释放的热能。其中后者的能量通量更重要

尽管我们目前还不能确定这两种热能来源的比例,但我们已经通过大量测量得知地热能的全球总功率约为44 TW。

将全球总功率除以地球的表面积可知,地热能的全球平均功率密度不到90 mW/m2,与平均日照功率密度的170 W/m2相比,相差3个数量级。

地球上不同地理位置的地热功率密度存在显著的差异:海床的平均值比陆地的平均值高出70%以上。而在陆地上,古代地壳岩石地区的数值是最低的,加拿大地盾区就是一个典型例子。

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相比之下,最年轻的海床渗出热量的速度大约是海床平均值的3倍。据记载,大面积平均值最高的地方是沿大洋脊分布的海床,在这里,热岩石上升形成新的海床,因此太平洋的地热流差不多占地球地热总量的一半。这里的海底热泉会喷射出壮观的水柱,其中水的温度高达**360 ℃,**功率密度可达每平方米数兆瓦,只有大火山爆发时的功率密度才能与之比肩。

大约60%的地热都会被用于沿大约55000km海脊形成的新海床,这些海脊将地壳分成了多个坚实的且缓慢移动的地质构造板块,其中太平洋板块面积最大,而且几乎全是海洋,某些地方的厚度还不到10 km,而其他一些板块承载着大片陆地,很多地方的地壳厚度甚至超过100 km。

按照全球平均每年不到5cm的扩散速度,沿海脊从下面的地幔上升的玄武岩浆每年会创造大约3km2的新海床。

在厄立特里亚和索马里之间的阿法尔地区、东非大裂谷和冰岛中部等地,可在陆地上目睹这种裂谷过程。

不断扩散的海洋板块最终必然会与更大型的陆地板块发生碰撞,而海床又必然通过向下俯冲的方式被回收到地幔之中

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地幔层位于地壳和液态的地核之间,是接近3000 km厚的固态层。深海海沟是板块俯冲作用中最壮丽、最惊人的特征。

这种持续不断的循环导致所有海床的年龄都不会超过2亿年,事实上,大部分海床的年龄都不到1亿年。另外,这也是大多数最猛烈的地震(通常会引起大规模海啸)和火山喷发都集中在俯冲带附近的原因。

这些区域在太平洋底构成了一个由深海海沟组成的巨大半圆,这个半圆从阿留申群岛一直延伸到新西兰以北的汤加,在这些地方,移动速度较快的太平洋板块会被挤压到几乎不移动的澳大利亚和欧亚板块下方。

海洋板块和大陆板块间的另一种主要的碰撞形式会形成高耸的山脊,比如,印度板块与欧亚板块的碰撞仍在推高喜马拉雅山脉,而阿尔卑斯山脉也是由非洲板块与欧亚板块最西侧部分的碰撞造就的。

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关于地球宏大的地质构造的能量学和力学方面的很多细节仍不为人知,但毫无疑问,沿海脊上涌的岩浆以及沿海沟的板块俯冲作用驱动着地球上规模最大的循环

由地幔岩浆对流形成的新海床平均位于深海平原上方3km处,这些海床的热岩石块具有巨大的重力势能,能提供远离海床的推力。

沿着海沟,冷海床的下沉会产生拉力,因为它会向黏稠的地幔施加力矩。这种力的重要性已经得到了证明,因为人们已经发现板块移动的平均速度与俯冲带的长度密切相关:太平洋板块的短期生成速度高达每年20cm,长期速度则高达每百万年90km。

这样的速度表明,与板块的面积和移动速度成正比的地幔阻力必然相对较小

由于火山喷发是间歇性的,而且通常持续时间很短,因此火山喷发释放的能量仅占全球地热能释放量的一小部分

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最近似的估计是这部分能量占总能量通量的2%左右,但每年的差异会很大,因为两次壮观的大规模火山活动之间可能会相隔数十年。同时,有的火山爆发剧烈但时间很短;而另一些火山则会持续活跃相当长一段时间。

火山释放的总能量中绝大多数都是热能,比其他能量多1~3个数量级,但不同火山释放热能的载体有所不同

很多火山的大部分热能是由大规模的火山灰带走的,这些火山灰可一路升至平流层,这会导致全世界范围内的地面温度连续几个月都低于正常水平。

目前,最危险的热释放是碎屑流,它混合着细灰和大石块等火山材料,并与可能超过500℃的炙热气体混合在一起,它们能以超过100 km/h的速度滚下山坡并冲到100 km之外,焚烧并掩埋途经的一切。

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能量既不会产生也不会消失吗?如果没有太阳,地球上还会有生命吗?人类的能量来源以及代谢的比例如何?现代文明越来越依赖什么能源……

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