為什麼地球表面不燙?
問題主旨是「地表溫度為何比地心溫度低這麼多?」
前面大部分的人都在答:「因為燙死你就沒人來問這個問題了」。
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喂,你們的語文是物理老師教的么?
不要什麼問題都用「人擇原理」來抖機靈好么,這就是一個簡單的熱傳導問題啊。
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地表相對地心溫度低,其根本原因就在於地球太大,芯部的熱量傳出來的速率太低。相對太陽來說,地心是個可以忽略的熱源。
簡單粗暴的估算一下,假設地心溫度6400K,那麼徑向的平均溫度梯度才0.001K/m。
再假設地球都是導熱性良好的鐵,熱導率算100W/K/m好了,平均的熱通量也才0.1W/m^2。而地球接受太陽輻射的熱通量大約為600W/m^2。也就是說,地底傳上來的熱通量,比太陽傳過來熱通量小了近四個量級。
而地表基本上處於熱平衡狀態,太陽輻射過來的熱量都能被有效的散發掉。地心傳過來的那點熱量,相比太陽輻射來說就是九牛一毛,分分鐘就輻射到宇宙中去了好么。
昨晚隨手寫的回答,沒仔細看題目,離題了… 承蒙謬讚,抱歉抱歉…
(哇這下可如何是好…正經回答我不會呀…姑且拋磚引玉一下吧…)現在地球表面的溫度與地球誕生之初相比已經降低了很多,並且變得相對恆定。現在地表溫度的主要決定因素不是地球內部的產熱,而是太陽帶來的熱量、地球的散熱和地球內部放射性物質產熱這三個因素相互平衡的結果。其中影響最大的是太陽帶來的熱量。
首先是太陽帶來的熱量,包括太陽光和太陽風等(或許太陽磁場與行星磁場的相互作用也會造成熱量變化?我不知道…)。太陽光是對地表溫度影響最大的因素,僅僅夏季與冬季太陽直射點的南北移動就可以造成數十度的氣溫變化。如果行星到太陽的距離太近,例如我們太陽系中的水星,表面在白天可被加熱到數百攝氏度。而如果行星距離太陽太遠又沒有大氣,在黑暗中可冷至接近絕對零度,比如一些行星的岩質衛星。
地球對太陽熱量的接受由許多因素決定。其中因素之一是大氣層的存在,地球的大氣層一方面反射了一部分短波(紫外線等),另一方面將透射到地球的長波反覆反射回地面,更充分地利用了這部分太陽光為地球加熱,也就是溫室效應。不同地質時期內大氣層組成成分的比例不同(這與地質活動和植物光合作用相關),溫室效應強度不同,所以均溫也不同。另一個因素是地表的顏色——白色的冰雪會增強對太陽光的反射,減少吸收,從而減少地球獲得的熱量。所以一旦冰期開始,會形成更多終年積雪,通過正反饋讓地球越來越冷。——當然這一過程並不是不可逆的。冰期植物光合作用減弱造成的溫室氣體積累、火山噴發等因素最終會逆轉這一過程,讓地球回到溫暖的間冰期。其次是地球的散熱。地球的散熱的最大影響因素是大氣層。如前所述,大氣層可通過將長波輻射不斷反射回地表形成溫室效應,不僅增加了太陽光的熱量利用效率,也降低了地表向宇宙空間的熱輻射。由於真空是熱的不良導體,只能通過熱輻射和氣體逸散帶走熱量,因此大氣層的存在能有效地在夜晚保持溫度。沒有大氣的月球晝夜溫差可達三百餘攝氏度,而地球的晝夜溫差只有數十攝氏度。
大氣層的存在依賴於適當的到恆星的距離與強有力的磁場。水星沒有大氣,因為距離太陽太近,任何氣體都會在太陽風作用下逸散到宇宙空間。火星的大氣中缺少水,因為火星的地質活動已經沉寂,無法產生行星磁場抵抗太陽風,水分子電離後氫離子大量逸散。此外大氣層太厚也會導致地表溫度過高。例如金星,其富含二氧化碳的濃厚大氣下溫度可達數百攝氏度。
從最初的光合生物誕生以來,地球大氣層還與生物作用有關。地球大氣呈氧化性就是光合作用的結果。光合作用與呼吸作用的相對強度可以改變大氣層中氧氣與二氧化碳的比例,從而改變溫室作用強度。這是周期性冰期的重要影響因素之一。與其他兩點因素相比,現在地球內部產熱的影響已經很小了。地球內部的溫度可以通過火山與海底火山、間歇泉、地熱等等方式釋放到地表。直觀看來,火山似乎理所當然地會提高地表溫度。但事實上不盡然,大規模火山爆發會將大量火山灰送入大氣遮蔽陽光,而火山本身提供的熱量遠小於太陽光帶來的熱量。這會導致地表溫度降低,出現所謂「火山寒冬」現象。另一方面,火山也能釋放大量溫室氣體提高地表溫度……你看,說火山的時候總在說大氣和太陽,因為和後兩者相比它本身的影響確實不怎麼大…
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至於說為什麼地球溫度剛好允許液態水存在、DNA和蛋白質穩定存在,於是適宜生命誕生…那它就是這麼剛好唄(笑)銀河系裡可能有上萬億顆行星,其中可能有的已經冷透了,表面溫度接近絕對零度;可能有的熱得遍布熔岩,但總有幾顆是適宜生命存在的。不過我們投胎出生的時候只會出生在有生命的星球上。(或者…飛船?)因為沒有生命的星球上並沒有可以投胎的受精卵。所以我們出生在適宜生命存在的星球的概率是100%。
原回答:
地球人覺得地球溫度剛剛好,不太熱也不太冷,因為地球人就是在地球上演化出來的,適應了地球的溫度…
作為土衛六星人,表示你們地球燙死了。
作為金星人,表示你們地球冷死了。
作為太陽人……謝邀,裡面雖然很熱,但是傳熱速率不高,導致能傳導上來的熱量不多。還好有太陽,要不然就靠那點地熱,地面上只怕是連氮氣都冷得液化了。
你太小看地球的大小了,這麼大的體積,不停的向宇宙空間散熱,不涼就不錯了
作為一個(曾經的)天體物理小學生,在實在看不下去這題被越大答越偏後,我決定負責任的認真答一下這個問題。希望能讓題主滿意。為了篇幅答案中涉及到具體專業知識我只給出公式或者原理的名稱和大概的概念,有興趣的可以直接搜名稱我盡量做到只用一搜就能搜到的。
首先確立一個前提,在地球公轉軌道這個距離,只靠太陽輻射,實際上就是一個~溫暖的溫度(約15C)而不是大家常識性認為的宇宙都是接近絕對零度的寒冷。這個去參考1. 黑體溫度 2.斯特藩-玻爾茲曼定律
那麼這樣的前提下,地球軌道上的物體,如果自身不發熱,他的表面平均溫度(注意這裡的平均指的是時空上都算的平均)最高就是15度。顯然說不上燙。而且地球當然不是黑體,所以肯定反射了一部分太陽能量出去,那麼只靠太陽能達到的溫度就更低了。所以這個問題的關鍵在於地球自身發熱,和地表溫度之間的關係。
先請你想像兩個極端的例子。(這裡我把地殼下的結構統稱為核,因為他們的分層暫時沒意義)
1.有一個絕對阻熱的地殼,那麼不管這地殼下有一個發多少熱的核,地表溫度都不會變高對吧。
2.有一個絕對導熱的地殼,那麼地殼表面溫度就直接等於下面發熱的核與地殼交接處的溫度。
現實情況顯然是在這兩個極端之間的某個點。地殼有一定的熱導率(很低但絕不是零),地殼有一定的厚度,地殼表面與地殼-核交接處之間存在一定的溫差。這裡請參考1.傅立葉定律
到這一步,就可以最低限度的解答題主的問了。如果我們簡單的去像傅立葉定律中代入已知條件求解就可以暴力的告訴題主,由於核的最外層(也就是地殼最內側)的溫度才幾千度太低,地殼十幾公里太厚,地球軌道溫度太低地球散熱太快。所以地殼內外側的溫差太大,地表就不燙了。題主如果到此已經滿意就可以去休息了,不過這只是最低限度。
進一步我想說一下為什麼會這樣,具體為什麼核會熱,而且是現在這個溫度。
物理學上把熱看作系統的微觀動能總和比較方便,用普通話講就是熱看作東西里的總能量。在這請做這個轉換。於是問題就變成了,地核的總能量從哪裡來。
主要分兩部分,地球形成時的吸積過程,和所有地球物質中放射性元素率變的釋放。
~接上次~
吸積過程,簡單地說就是地球如何是從比沙子還細的無數小碎渣慢慢積累成如今這麼大一個行星的。具體過程展開能說一天(當年一年的課),給你簡化為就是小石頭碰一起變成大一號的石頭,然後反覆進行無數次。那麼如果在剛開始吸積的時候我把你放到任意一塊小碎渣里做成第一人稱射擊遊戲(學名叫以此為坐標基點),這個吸積過程就變成了所有渣渣向你墜落,最後在你的周圍堆成了地球(但你不一定是核心,別忘了是任意選的某個起點)
如果是以上面說的那樣考慮,吸積過程的能量就很好算了,就是某個範圍內的渣渣都落到地上,他們的重力勢能轉化(系統內部微觀)動能就好了。這裡參考1.能量守恆定律 2.重力勢能與動能轉換
有興趣的可以做如下估算,一個半徑為金星/地球公轉軌道差的一半,總質量等於地球,密度平均的球,崩塌為點質量時轉化成動能有多少。(這裡顯然做了很多簡化假設,主要是讓你體會一下這股能量的大小)
這是一股極大的能量,但是他只在地球形成時做這一棒槌買賣。所以在那之後的數十億年間,這筆能量巨款在不斷的坐吃山空,但是到今天估算地核的能量有八成左右還是來自吸積。
~分割一下~
放射元素,就是不穩定同位素們,各自以不同的速率率變成另一種元素(的某種同位素,且不一定就穩定了),這個過程中損失掉一點點質量。這個質量按愛因斯坦那個特別有名的相對論公式轉化為純能量釋放出來。這裡參考1.同位素 2.放射性半衰期 3.狹義相對論
通過天文學等學科的研究,我們現在已經對地球的構成和年齡有了一個相對滿意的認識。也就是說我們可以比較好的知道地球內部共有多少各种放射性物質,和他們各自已經經過了多少個半衰期。當然也就能夠估算現在他們釋放能量的功率綜合(說是比較滿意,也頂多是數量級不要差太多,別認真)
整體上這份能量是按指數衰減的,基本上是富不過三代,一天不如一天。放射到今天,地核的兩成來自於他們吧。去參考1.指數衰減
~分割一下~
既然能量守恆,地核的進賬一個是一棒槌買賣,一個是指數衰減,那不難看出:這樣如果支出稍微有一點,賬面上肯定是逐日虧空啊。現實就是如此。
想當年地球剛剛形成的時候,兩筆進賬拿在手裡那是要上天的啊。所以當年地表不是燙的,根本是液態的。也就是熱到岩石不能凝固,上千度。
可是還記得最開始咱們算的地球軌道應該是15度來著對吧。只要你比這個高,那總體上你就要往外散熱。具體回去參考黑體溫度那部分,是按溫度的四次方來搞得。
所以地球表面迅速的冷卻了下來,先是冷到石頭能凝固,再後來水蒸汽也能凝結成水了,再後來水髒了就開始長蟲了,再後來蟲就長成恐龍了,再後來恐龍就被拍成電影了,再後來地表就不燙了。(這個過程我顯然忽略了很多,特別重要的是地-月形成過程,是地球系統總能量的一次巨大變化,還有其他無數細節。)
所以到最後,回答為什麼地表不燙了,是因為地球的總能量是有限的,早年間太燙撒出去太多,現在肚裡的貨已經不夠讓地表再燙起來了。
~最後的分割~
希望滿意,全程手機碼字,所以沒有打任何公式做任何計算,也沒有任何引用做任何連接。但用到的原理和公式名字都寫好了,也測了百度都直接有。有興趣可以自己搜來看。
簡單來說是這樣:
岩石導熱性很差,地熱傳上來的速度趕不上地表熱量散失的速度。
導熱這東西和尺度比例沒有關係,如果地幔溫度不變,那麼無論地幔層有多厚導熱也會保持現在這個樣子。因為地殼是不可能被地熱加熱的!
為什麼
1因為地心雖然比較熱,但是沒有像太陽核反應一樣的熱源。
2地殼一開始是熱的,如果地幔可以加熱地殼,地殼就不會冷了。
3簡單的邏輯來說,一般沒有活熱源&<化學,蠟燭。核反應,太陽&>在寒冷的宇宙中存在幾十億年地球應該是冷的才對。(據說地心還有一點裂變,一點化學反應,但是反應物含量肯定比熱之前少的多的多)。不論如何,溫度曲線是下降的。
題主問反了。問題應該是,地心為什麼那麼熱。
一開始,地球是熾熱的物質團,外表變冷了,形成地殼,多了一個保溫摸。地球內部就沒那麼容易冷了。(據說地心還有裂變,化學反應放熱。都是推測,不然沒法解釋,直接證據是不可能有的,科技還沒那麼發達。)還有一個因素就是太陽,如果沒有太陽,地表不會像現在那麼適合生命的溫度會更冷。
總之。
從宇宙的角度來看,答主的問題有點2。
從答主的角度來看,問題的答案是,宇宙太冷了,地殼導熱差,地核傳的熱量不夠。
問題問反了。地心再熱,能量再充足,也禁不起幾十億年散熱。
地球表面曾經也燙過的,只不過很快冷卻了。能保持幾十億年外表滾燙的,是恆星。
如果沒有能夠保溫的大氣層,地球就不是熱的問題,而是會冷,晝夜溫差也會很大。因為地球導熱係數並不高……尺寸和軌道又合適,還有大氣層……
+++++++++++++++簡述++++++++++++++
地面基本上就是處在地核,太陽和宇宙空間的熱平衡里。
不高的導熱率,和足夠大的半徑,使得地面不至被地核烤得太熱;
擁有足夠「濃郁」的大氣層,帶來的低導熱率,軌道不也那麼近,保證了地面不至被太陽烤得太熱;
足夠大的半徑和體積,帶來的高熱容,和低表面比,以及擁有大氣層,且軌道也不那麼遠,保證了地面不至被宇宙空間冷卻得太冷。
+++++++++++++下面字就多了++++++++++++
先把這個問題最簡化,假如宇宙只有地球,沒有其他熱源,不考慮大氣層。此時如果把地球切成一層一層的洋蔥狀,每一層,都處在被下層加熱和被上層冷卻(忽略該層本身放射熱)的動態平衡里……所以,地球的各層,一定是處在宇宙溫度和地核溫度之間的一個漸變過程……這個東西就叫地溫梯度……
地球的導熱係數越高,這個梯度就越小(每從地核向外單位距離,溫度下降得會更少)。如果導熱係數無窮大,地球將變成一個溫度均勻的物體,然後迅速冷卻到環境溫度……而地球導熱係數並不高,所以這個梯度是很大的,所以這樣既能保證地面不被地核烤得太熱,也不會將熱量瞬間散發到宇宙空間,變得太冷……
再看太陽,如果只看太陽和大氣層,也正因為地球大氣層的導熱係數不高,從大氣層外部到內部,也將是類似的,外層熱而內部冷漸變過程。這個就是暖層的溫度梯度。(這主要保證了地面不會被太陽烤得太熱)
最後再考慮地球和大氣層的相互影響,一般的,地溫是大於氣溫的,所以大氣層從內到外,將是內部熱而外部冷的漸變過程。這個就是對流層的氣溫梯度。(這主要保證了地面不會過快地冷卻到環境溫度)
同理,大氣層的並不高的導熱係數,既保證了地面不被太陽烤得太熱,也不至讓地面過快地冷卻到環境溫度……
(最上面,隨高度下降而冷卻的,就是暖層;最下面,隨高度上升而冷卻的,就是對流層。實際還有平流層和中間層,這個和臭氧濃度關係更大……不過對本問題的理解影響並不大)
所以啊……地球的各大圈層的導熱係數並不高,保證了地面在被地核、太陽加熱,被宇宙空間冷卻的速率都相對緩慢,且維持著一種動態平衡。不至於過冷或過熱,也不至溫差過大。
而地球和太陽的物理性質和以及地球的軌道,也恰到好處的使地表的這個平衡點恰好保持在±50℃這個區間……
地球一直在持續散熱,所以姑且還算是熱平衡。地球內部熱量主要來源於兩部分:地球內部放射性元素的衰變和地球形成早期所留下的熱量。其中放射性元素衰變貢獻了大部分能量,從地球內部排出的熱量的45%至90%源於主要位於地幔中的元素的放射性衰變,其中主要是鈾238、鈾235、釷-232和鉀40。
目前人們根據地球物理和地球化學來推斷,地球內部的熱傳遞方式主要是熱對流,在地殼的熱量傳遞方式主要是熱傳導。可以看到,熱對流的能量傳遞效率相對熱傳導還是很高的,但是由於地球尺度太大,在地殼深度,溫度已經降低到1300-1500K左右。據測量和估計,從地球內部到地表的平均熱通量為 ,由於海洋地殼相對大陸地殼比較薄,熱通量相對大一些,可以達到 。實際上這個能量還是相當可觀的,這個能量是人類消耗能源量的2倍,所以說地熱能也是一種非常可觀的能源。
對於地殼的熱傳導過程,可以應用傅里葉熱傳導定律熱流密度形式 ,其中 是導熱係數。
岩石的導熱係數是與岩石種類、溫度、壓力相關的,在地殼尺度上可以取 。
地殼平均深度一般認為在33km,根據從地球內部到地表的平均熱通量 ,可以很容易估計得地殼上下表面溫差
畢竟從來沒人去過地幔,我猜測實際上地球內部的溫度就是根據上面的公式計算的,所以說用這個公式來驗證並不是非常合適,但是幫助題主來理解地熱對地球溫度的影響還是很不錯的。也就是說,以目前人們的理解以及得到的信息,地球內部溫度就是按圖一規律分布,進一步說就是地球內部的溫度就是由地球表面不燙的這個條件而推得的。
生物圈熱能的主要來源還是太陽輻射,地熱能只佔了地球全部能源的0.03%,其餘部分主要就是太陽輻射。
眾所周知,熱量傳遞的方式有熱輻射、熱傳導和熱對流,實際上,由於宇宙是真空,地球的熱量散失方式主要為熱輻射,熱輻射主要遵循斯特藩-玻爾茲曼定律,熱輻射功率 ,其中斯特藩-玻爾茲曼常數 。因此很容易可以計算,如果沒有太陽的照射,地球表面溫度將降低到零下200℃以下。
參考文獻:
[1]中國大陸科學鑽探主孔100~2000m岩石熱導率及其各向異性:對研究俯衝帶熱結構的啟示
[2] Davies, J. H., Davies, D. R. (2010). Earth"s surface heat flux. Solid Earth, 1(1), 5–24.
[3]Geothermal gradient. (2017, October 23). In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 09:08, November 1, 2017
[4]Earth"s internal heat budget. (2017, October 18). In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 09:09, November 1, 2017
[5]Structure of the Earth. (2017, October 27). In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 09:10, November 1, 2017
還有地球內部的熱對流計算,就留給地球物理的大佬來回答吧。。我就是搜集了一下網上的資料。。
地球是由各個物質組成的啊,而剛好,這些物質吸熱
是題目改過還是其他人不審題?
https://www.zhihu.com/question/21546224/answer/43421002
鏡像問題問者問的是,地球內部產生熱,而且溫度達幾千度,地殼僅十幾公里厚(大陸與大洋地殼平均17公里),為什麼熱沒有傳導到地面燙人。
先談一下太陽的輻射。
地球距太陽平均距離為1.5億公里,這個距離不遠不近,這是與太陽距離的問題。月球白天最高127攝氏度,晚上最低零下173攝氏度,溫差300攝氏度。地球有大氣層的作用(對於太陽輻射的削弱作用、對於地球的保溫作用),因此太陽輻射熱因上述原因,地球表面冷熱適中,不燙。
關於地球內部熱量的來源,一種觀點認為是放射性元素產生的熱,那麼放射性元素是哪來的這麼多?而且現在開採的放射性元素礦床是放射性元素含量高的岩石,其溫度沒有這麼高,而且岩石還是固態。因此,這種觀點解釋不通。
如果地球破碎了,外地核的熔融岩漿會怎麼樣?漂浮在宇宙中,或自行凝固,或被其他星球捕獲。
另外一種觀點:原始地核捕獲宇宙高溫熔融物質,熔融物質外部冷卻凝固,形成原始的地球外殼。
結論:地球內部的高溫熔融岩漿是原始地核從宇宙捕獲的,冷卻凝固作用使地表變涼;太陽的輻射,地球大氣層的削弱與保溫作用,地球表面才有現在的不冷不熱,不燙。
另,借本問題說下:關於太陽系起源,地球起源,有兩大學派,一是系內成因學派,二是系外成因學派。
系外成因學派認為:地球是在太陽系外形成的,然後被太陽捕獲。
僅供參考。
讓我想起一個故事 有一天 一個小太陽人 問老太陽人 地球會不會有人呀? 老太陽人說 別瞎想 地球這麼冷不會有生命的
因為地球的數組沒有越界溫度只是能量的一種表現形式 只有在其他外部條件不變的情況下 才有高溫向低溫傳遞能量
不論是熵增還是能量守恆都是描述能量的運行規律 而不是溫度的
只有在實驗條件下 或者說理論環境中溫度是從高往低傳遞 但自然環境中並不是這樣
簡單來說,燙不燙是一個主觀問題
客觀來講,地球表面的溫度相對於絕對零度還是非常燙的,生活在大概零下五十度以下的其他星球生物來了地球是會燙死的。
地核溫度很高,表面溫度不高的原因我個人認為有幾點原因:
1.地核佔地球整體質量約31.5%,再考慮到比熱容的問題,地核產生的熱量在擴散時,溫度(能級)的降低是肯定的。
2.當熱量傳達到表面時,溫度並不會因為真空而不在傳播,導致地球整體溫度的上升。且因為表面積的增加,熱輻射更快了。
3.地表上頻繁上演著各種能量的轉化,於是熱能轉化了
個人非專業人士,以上言論純粹依靠高中知識胡扯,等待大佬的指點
補充:似乎地核的熱能在地球的能量進入中是小頭,大頭還得看大太陽的輻射
先問是不是,再問為什麼。
至於是不是。。。
夏天來重慶,你就知道燙不燙了。
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