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地球自轉46億年不停,科學家猜測內部有一「發動機」?還只是假說
2024/01/30

日夜交替、斗轉星移,在科技不發達的古代,人類以為是太陽這些天體在圍繞著地球運動所導致的。

現在,人們都知道地球也在一刻不停轉動,既在進行自轉,又在繞著太陽做公轉運動。

于是人們就會產生這樣一個疑惑, 數十億年的時間一直在轉,那它的動力究竟來自哪里呢?地球今后還會一直這樣轉下去嗎?其能量不會耗盡嗎?

轉動和角動量守恒

宇宙中有多少天體,那麼就有多少天體在轉動,而且絕不會存在沒有不轉動的天體。 其轉動的背后就是角動量的守恒。

沒有地球,或者說沒有整個太陽系之前,我們現在所處的宇宙區域只是星云物質。這些像塵埃一樣的物質,因為重力的作用會慢慢聚集在一起。

而在這個過程中,星云物質本身也是在轉動的,這個轉動的量,便是初始角動量。

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其轉動產生的能量分布相對均勻,哪怕聚合在一起的時候,轉動的能量也不會被抵消。

于是,當塵埃類的物質逐漸聚合形成一個球體模樣,它依舊在轉動。當太陽系內的各個天體都形成的時候,它們依然在轉動。

等到星系形成,地球一邊自轉一邊繞著太陽公轉,而太陽本身也在進行著更大范圍的自轉和公轉。只不過我們本身處在地球上,所以從更大的范圍感受不到這種轉動。

轉動本身,就是角動量的守恒。其轉動產生的能量,可以理解為來自內部而不是外部施加的。而且,這一定律適應于宇宙內的所有天體。

不管是哪種物質,都遵照角動量守恒定律在運動。如果你想刨根問底兒,思考初始的角動量又是來自哪里的,你可以想象一下宇宙的引力又是來自哪里的。

就是說,這些定律屬于宇宙內的基本定律,它本身不會改變。人類雖然經過科技發展了解了背后的原理,但更深層次的原因,依然沒有答案。

角動量守恒就像慣性、引力、日夜交替等現象輸入自然界存在的亙古不變定律,而且也因為它的存在,讓地球上的一些現象,也在它的基礎上運轉。

比如地球上四季的形成,由于自轉軸指向了一個方向,而且這個又遵循著角動量守恒,所以四季出現的時間以及影響到區域,基本上永遠固定。

地球也在「內卷」

地球處在真空環境中,轉動不會有摩擦影響,所以從理論上說,只要它轉起來,就永遠不會停止,而且速度也應該是恒定的。

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可實際的情況是,地球的角動量一直在變化,這也影響到了地球的自轉速度。導致地球角動量變化的原因,是由于月球引力的影響。

月球本身也在轉動,在繞著地球的過程中會產生潮汐效應。該效應最顯著的特點,就是影響到地表江河湖海每天的潮起潮落。兩個球體之間的極限「拉扯」,導致地球上液態水的漲落,消耗了角動量的能量。

而且這還僅僅是一個表面現象,在人類看不到的地殼內部,由于引力的作用也會出現運動或者隆起。只不過這個人類看不到,但它產生的消耗力,也在改變著地球自身的轉速。

如果單單從這個角度去看,因為角動量被消耗的緣故,地球自轉的速度應該越來越慢才是。可是現實的情況是,地球自轉的速度既快過也慢過,現在有可能又在逐漸加快。

這便有些奇怪了,地球又不趕時間,它干嘛要轉這麼快呢?難道轉動在宇宙內也有指標,它需要「內卷」才能完成轉動次數嗎?

目前,推測導致地球自轉改變的因素有以下幾種。

第一種因素,推測跟地球的板塊運動有關。地球本身的質量分布是不均衡的,這會影響到地球的質量更靠近中心,進而導致轉速變慢。

因為從球體旋轉的角度看,那些直徑小的球體,由于質量更靠近中心區域,所以轉動的速度會相對較快。地球的質量分布雖不均衡,但自身存在板塊運動。

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每次運動以地震的形式出現后,地球的質量就會向中心區域靠攏,這樣一來,就能確保地球的自轉速度越來越快。當然,由于板塊運動并不固定,所以這對地球自轉速度施加的影響,也不是均衡分布的。

第二種因素同樣來自地球自身,有科學家推測, 溫室效應加劇導致兩極的冰川持續融化,海平面在上升的同時,也引發了地球質量分布的變化。

這種情況下,繞著自轉軸的轉動慣量在變小,從而導致地球的自轉越來越快。

現在,地球的自轉周期是23小時56分04秒,也就是我們所說的一天時間。在地球剛剛誕生的時候,它自轉的速度非常快,每經歷一次日夜交替只要8個小時。

後來到了后期,地球的自轉速度開始逐漸變慢。在恐龍時期,地球一天的時間為23.5個小時。

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從那時候至今,地球自轉的時間又延長了30分鐘。

也就是說,在長期的趨勢下,地球自轉的速度是在變慢的。但是根據科學家的研究,至少在最近的半個多世紀,地球自轉的速度又加快了。

在科學家看來,這種變化,不過是長期變慢趨勢下的短期波動。產生波動的因素,就是上面提到的兩個因素。除此之外,科學家也提出了別的一些假說,比如太陽風的影響,也會影響到地球自轉等等。

不過總的來看,多數科學家還是認為,地球自轉速度的變化背后,還是以內在原因居多。

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至于對我們人類來說,雖然自轉的快慢,會影響每天的時長,但由于這些變化過于微小,我們實際上也感受不到。

地球的自轉,遵循著角動量守恒,而在它的內部,還蘊含著驚人的能量。

能量的產生和釋放

不停的自轉,會形成一個慣性離心力,這個能量有多大呢?如果將全世界的電能加在一起,這相當于全部電力的幾億倍。

如果我們從地表開始向下,越往地球的中心區域挺進,越是能感受到來自地心的熱能。這一能量同樣是驚人的,隨著深度不斷增加,溫度也在跟著增加。

等到達地心近3000公里的地方,這一區域的溫度將超過3700℃。如果再往地球的中心區域走,其溫度將會達到更驚人的4500℃以上。

人類曾經進行深井鉆探研究,目前所能達到的深度,也不過是區區萬米左右。

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就人類的技術看,這已經達到了極限。可跟地球比起來,人類挖的這點深度,連地球的皮毛都沒有觸及到。

地球內部的溫度為何這麼高?主要原因是放射性元組的衰變所導致的。此外根據發電機理論,地球的一項能量補給來自太陽,另一種因素便是地球內部的固態和液態內核構成的發電機機制。

發電機機制構成了地球的磁場,同時又跟板塊的結構有一定關聯。不過,相關的發電機理論本身也是假說。雖然相關的理論研究,多年來提出了很多,但背后的很多作用機理依然是不清楚的。

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「發電機」假說和磁場的形成

地球不是一個裸露的球體,而是有著一層有磁場形成的保護層,正因為后者的存在,才能幫助地球上的生命隔絕來自太空的任何威脅。地球的磁場是如何形成的,多年來也一直困擾著科學家。

根據以往的假說觀點, 有人認為地球的內部有一個巨大的磁體物質,它就像巨型的磁鐵一樣,最終讓地球產生了磁場。也有人相信,地球內部存在強大的電流,這才使得磁場得以形成。

此外,還有放射性物質熱量差異導致的電流形成磁場,以及電磁感應和旋磁效應等假說,每一種觀點,都不能有效解釋地球磁場產生的原因。

此后到上世紀40年代,發電機假說出現,并漸漸成為解釋地球磁場產生的主流觀點。該假說認為, 地球的內部存在導電液體,它們流動的時候就會形成穩定的電流,之后又進一步促成了地球磁場的產生。

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這一假說雖然很流行,但目前依然不能解釋,發電機初始的能量是哪里來的。其次,初始磁場的誕生,同樣也需要進一步研究和解釋。

不過相對而言,發電機假說影響了現在的天文學研究。不光地球的磁場存在發電機效應,其他天體上磁場的形成和消失,也跟發電機有關。

比如跟地球朝夕相處的月球,它就不存在磁場了。而科學家相信,至少在15億年前,月球上還是存在磁場的。後來月球內部的發電機逐步停止工作,所以就導致磁場慢慢消失了。

不光目前的月球沒有磁場,就連與地球類似的火星和金星,同樣也沒有磁場。

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根據科學家的推斷,火星產生磁場的發電機作用,至少在39億年前就停止工作了。

同樣金星也沒有磁場,有人據此認為,這便是金星雖然和地球大小類似,卻轉的比較慢的原因。

結語

無論是地球的轉動,還是內部能量的產生和釋放,對人類來說,都難以與之抗衡。這種不可抗拒的能量,以恒定的姿態持續運轉著,進一步構成了地球生機勃勃的基礎。

對我們人類來說,研究地球本身,是為了能更好的適應環境。而了解背后的作用機理,也能進一步找到生命起源的秘密。

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什麼樣的環境是適宜的,而適宜環境背后的支撐機制又是什麼,對背后演化的構成了解的越多,人類的自我認知以及掌控未來的命運,就變得越穩固。


參考資料:

《地球自轉為何也在「趕時間」?》 科技日報 2022年9月20日
《地球能量產生與釋放》 科技部 2000年12月21日

嚴禁無授權轉載,違者將面臨法律追究。

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