地殼會毀滅?流浪地球不可行?地質學告訴你答案!

作者:李俊龍

審校:陳宇宙

在等著回校和同學一起去看《流浪地球2》的時間裡,我已經被各大兄弟院校的球2的科普各種「劇透」,於是重溫了球1和科普中對推動地球離開軌道的計算。

在小說和電影的背景設定下,地球確實可以被聚發動機推著停止自轉並沿霍曼轉移軌道離開太陽系。但是,前人的計算都是把地球簡化成一個剛體,或者一個有密度分佈的近似剛體。有的也考慮到地月,地木引力作用和他們的洛希極限,使「大部分地球物質」成功逃出太陽系。

做為一個「老牌的科普up」,看到各位已經分析的非常完美了,所以決定以另一個視角(絕對不是水原創數)分析行星發動機推動地球離開太陽系時,地球表面(著重我們生活的地殼)可能會發生什麼。

地球結構

首先,地球並不是理想計算中的剛體球體,而是有著豐富結構的球體,其密度和物質種類是分佈不均的;溫度和壓力也是由地表到地心逐漸增大的分佈,結果就是物質的狀態隨著深度變化,受到壓力溫度影響而變化。因此,想要分析使用行星發動機推著地球在逃離太陽系,地球的變化,了解地球內部結構是很重要的。

目前為止,地質學家通過鑽探,地震波探測,深部樣本取樣分析,實驗室模擬等手段,根據不同深度下物質的物理特性,將地球分為了不同圈層結構。首先最粗略的劃分便是我們熟悉的,由表及裡的地殼,地幔和地核的三層劃分。但是,通過進一步分析物態,地球擁有更豐富的圈層結構。

地球圈層結構

地球圈層結構

地殼與上地幔的頂部,組成了約60千米厚的固態的岩石圈,中間夾著康拉德界面莫霍洛維奇面(代表著地震波速和地殼密度的躍變)。

岩石圈由鎂鐵質岩石、長英質岩石和地幔橄欖岩組成 ,平均密度在2.7~2.9 g/cm3,底部溫度最大約1100 ℃,壓力最大1 GPa,具有較大的切變模量(越大物體越難以變形)和較小的體模量(越大物體越難以壓縮)。

岩石圈之下,是一種處於部分熔融狀態的軟流圈,溫度範圍700-1300 ℃,由粘度很大的「軟物質」組成,狀態介於流體和固體之間。軟流圈的物質處於一種活躍的運動狀態,並且與上下圈層處於一種動態平衡。

除去上地幔頂部的軟流圈,上下地幔是一種切變模量和體模量都很高的固態圈層,溫度及壓力範圍1300-3700 ℃7-135 GPa。處於這種高溫高壓環境的物質,其性質和我們日常環境所見到的地殼物質極為不同,改變其壓力和溫度,它們的體積,晶體結構,和物質的物化穩定性會發生大幅度變化。

繼續向下,在劃分下地幔和外地核的古登堡界面處(深度可達2285千米),固態的物質會突變成極高密度的液態物質,此時我們進入了外核

再往下,前人的理論計算結果表明,鐵鎳地核有可能由六方堆積hcp結構相變成為一種體心立方堆積的bcc高壓相結構[1]。由於需要的相變壓力範圍較大,液態外核與固態核心存在著一層固-液過渡層(4770-5155千米)。

在核心附近,溫度可達4300-4500 ℃,壓力估計達到360 GPa,此時鐵合金的密度達到~12.5 g/cm3

以上便是地球內部的圈層結構,他們相互影響,交換物質與能量並達到了一種動態平衡,才塑造了我們現在生活的地殼。

地球內部的物質交換

地球內部的物質交換

(Aluminous silica: A major water carrier in the lower mantle – Dr. Takayuki Ishii – HPSTAR)

停止地球自轉會發生什麼?

在《流浪地球》中,用42年的時間完成了停止自轉。42年對於地質時間來說如同白駒過隙,因此對於固體地球的影響極大。

當前理論認為,有幾股超強的高溫物質流從核-幔邊界一直上湧到岩石圈,被稱為地幔熱柱

地幔熱柱

他們將地核地幔的物質與能量從地球深部輸運到岩石圈附近,對於板塊的運動有著重要意義(如南太平洋超級地幔熱柱、非洲超級地幔熱柱)

(劉浩,中國科學技術大學,2021)

(劉浩,中國科學技術大學,2021)

有學者認為,我們地球上的各種海洋-陸地,高山-裂谷的形成消亡,可能與地幔柱的作用有關。

板塊的誕生-發展-消亡階段中,會有數不清的地震,火山與岩漿活動,其中某些地質活動的烈度可能遠超人類所記錄的,對我們有不可忽視的影響。

進一步的科學研究發現,固態地核與固態地幔之間,存在著自傳角速度差異,在赤道附近的線速度差異可達到0.6mm/s,這種差異引發了液態核對流和渦流,強烈影響核-幔對流強度

假設使用行星發動機在42年內停止地球的公轉,由於存在近似液態的軟流圈與液態外核對下部圈層的「潤滑隔離」,即使地殼能停下來,軟流圈以下的地幔地核會有著不同的自轉速度。

地幔-岩石圈不同的自轉速度會改變地幔柱的運動狀態,核-幔自轉速度差異的增大則有可能影響核-幔對流強度。

如此一來,現有的動態平衡就會被打破,新形成的地幔柱將會以一種烈度極高的形式重塑地殼,那時候是否存在宜居的陸地將是一個未知數

加速地球並推出太陽系會發生什麼?

目前地球內部處於壓力平衡的狀態,鐵合金地核被均勻的壓縮,密度高達12 g/cm3,因此體積是常壓下鐵合金的60%,壓力下降體積會增大[2]。

物質在地球內部被極致壓縮

物質在地球內部被極致壓縮

(Iron-rich Fe–O compounds at Earth’s core pressures – Drs Jin Liu and Chaojia Lv-HPSTAR)

筆者認為當我們開啟行星發動機的時候,假設岩石圈還是完整的,那麼整個岩石圈首先被髮動機產生的剪切力加速,做加速運動

由於存在兩個液態的圈層,行星發動機無法將剪切力傳遞到液態物質上,因此地幔和內地核不會被加速,地核與地幔會向加速的反方向接近岩石圈

最差的結果便是開機幾個月至幾年內,下地幔衝破軟流圈和岩石圈。如果僥倖使用某種方法將推力傳遞過軟流圈到達地幔中部,那麼液態外核也是一個無解問題。

此時,由於地核向加速度反方向的岩石圈運動,靠近發動機一側地核的壓力會驟然減小,體積增大,而另一側體積減小,引發部分下地幔壓縮坍塌

最終地核可能洩露到發動機一側的地殼上,而南半球的地殼則會被拉入地幔用於補充下地幔的壓縮虧損。此時的地球有可能回到太陽系剛剛形成的火球狀態

如果說我們把地球的兩個液態圈層冷卻到固態,如果是自然冷卻,憑藉著地表「高達61 mW/m2」的熱導率,冷卻時間將會是十億年的級別。

第二點,使用某種手段間接加速冷卻地核地幔,其所需釋放的熱量也是極其誇張的。

第三點,就算是冷卻了地球內部,由於從地表到地核的壓力梯度高達360 GPa,某些物質在常溫高壓下,也會出現液態或者「軟流」的性質,因此冷卻固化地球並不能完全保證推動加速時的安全

甚至是常見的水,在不同的壓力環境下也有著極為多變的結構與形態

(Venture into Water’s No Man’s Land: Structural Transformations of Solid H2O under Rapid Compression and Decompression – Chuanlong Lin – HPSTAR)

因此,啟動行星發動機改變地球運動狀態,很可能不是簡單的岩漿上湧地震頻發,而是地殼完全重塑,地球完全回到「原始火球」狀態

參考文獻

[1] Anatoly B. Belonoshko, et al. Nature Geosci 10, 312–316 (2017)

[2] Xueyang Yu & Richard A. Secco. High Pressure Research, 28:1, 19-28, (2008)

編輯:Aletta

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