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全球气候变暖的另一个重要原因:地球内部正在释放热量
杨学祥, 杨冬红(吉林大学)
地震火山活动中的帕斯卡定律扩展
帕斯卡定律只能用于液体中,由于液体的流动性,封闭容器中的静止流体的某一部分发生的压强变化,将大小不变地向各个方向传递。压强等于作用压力除以受力面积。根据帕斯卡定律,在水力系统中的一个活塞上施加一定的压强,必将在另一个活塞上产生相同的压强增量。如果第二个活塞的面积是第一个活塞的面积的十倍,那么作用于第二个活塞上的力将增大至第一个活塞的10倍,而两个活塞上的压强相等(如图1)。
可用公式表示为:
帕斯卡定律在生产技术中有很重要的应用,液压机就是帕斯卡原理的实例。它具有多种用途,如液压制动等。
若一个流体系统中有大小两个活塞,在小活塞上施以小推力,通过流体中的压力传递,在大活塞上就会产生较大的推力。据此原理,可制造水压机,用于压力加工。
如果把地球的地壳看成是封闭系统,壳下400米的软流层看成是流体,由于流体不可压缩,在力F1的作用下,面积为S1的活塞下降H1高度,通过压强传递,力F2使面积为S2的活塞上升H2高度,且有(保持体积不变)
S1×H1 = S2×H2 (1)
这是海平面升降导致陆壳和洋壳反向升降的地震模型。但是,在现实中,由于系统密闭不佳导致泄漏,部分流体流出地壳形成火山。则有
S1×H1 = S2×H2 – S3×H3 (2)
其中,S3×H3 为火山岩浆或喷出气体和流体的体积。在海平面变化只引发火山喷发的模型中,有
S1×H1 = S3×H3 (3)
120Ma前海底热幔柱喷发形成翁通爪哇海台的体积为36×106km3,15 Ma前发生的哥伦比亚溢流玄武岩体积为1.3×106km3,释放的CO2分别为5.8×1017 kg和2.1×1016 kg。
地球上的陆地和海洋总面积约5.1亿平方千米,其中海洋面积约3.61亿平方千米,占全球总面积的71%,陆地面积约1.49亿平方千米,占全球总面积的29%.地球上海洋连成一片,而陆地则相互分离.
海洋面积约3.61亿平方千米,根据地壳均衡原理,海平面上升300米导致洋壳下降100米,由(3)式算的喷出岩浆的体积为36×106km3,与实际喷出量基本吻合(120Ma前海底热幔柱喷发形成翁通爪哇海台的体积为36×106km3)。我们称地震火山活动中的帕斯卡定律扩展为杨氏定理。
15 Ma前发生的哥伦比亚溢流玄武岩体积为1.3×106km3,相当于洋壳下降3.6米,海平面上升10.8米所形成的地壳均衡。与图1有很好的对应关系。
根据地质学的地壳均衡理论(单位均衡面上的物质柱体质量相等),大陆冰盖融化,负载减少,大陆地壳要均衡上升;海平面上升,负载增大,海洋地壳要均衡下降。斯堪的纳维亚半岛在1万年前有2000米厚的冰盖融化,已经均衡上升了500米,并将继续上升200米。同样,全球平均海平面上升了130米,洋壳均衡下降了43米(地壳与水的密度比大约为3:1)。所以,斯堪的纳维亚半岛并没有因为海平面上升而被淹没。对于没有冰盖的大陆,海平面的实际上升仅87米,减少了三分之一。洋壳下降挤压下方岩浆流向大陆地壳底部,使沿海大陆均衡上升。由于地球表面是球面,洋壳下降,球面半径缩小,洋壳将插入到大陆地壳之下,使大陆边缘受到挤压和抬升。
末次冰期融化,全球平均海平面上升了130米,洋壳均衡下降了43米,相当于陆壳上升108米,或喷出岩浆15.48×106km3。
气候变化导致的冰川期与温暖期交替,形成地表巨量海水在两极冰盖、大陆冰川和大洋海盆之间往返转移,相应的地壳均衡运动迫使地下软流层发生反向流动,推动地壳运动,达到地壳重力均衡。在地球的球面上,地壳均衡不仅能产生地壳的垂直运动,而且能产生地壳水平运动。
http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-916671.html
数据来源
现代火山活动有明显致冷的记录。短周期的对应关系是:小冰期对应强火山活动,小气候最适期对应弱火山活动。但是,火山长周期的对应关系却是:火山活动峰值与全球无冰期对应,而谷值与大冰期对应[14, 42]。
据Coffin和Eldholm(1993)海洋考察结果,巨大火成区所显示的大陆溢流玄武岩和大洋溢流玄武岩的喷发强度与全球高温和大气CO2高浓度对应(见图1-3)[43]。
图1 全球巨大火成区
120Ma前海底热幔柱喷发形成翁通爪哇海台,其释放的热量为6×1026J,海洋的质量为1.45×1024g,可使全球海水温度增高33℃,平均每万年海温升高0.1℃[42]
有证据表明,在古新世末不到6000年的时间内大洋底层水增温40C以上[33]
海底火山活动引发的海温增高和CO2排放在全球气候变化中的作用不容忽视,这是白垩纪强烈火山活动、大气中高浓度CO2和异常高温一一对应的原因。最近发现在15~20Ma前南极的夏季温度要比现在高出大约11℃,最高可以达到大约7℃。这一南极地区的“绿化”过程最高峰大致出现在中新世中期,距今大约16.4~15.7Ma。中新世中期的温暖环境被认为应当对应于400~600ppm的大气二氧化碳浓度[44]。15 Ma前发生的哥伦比亚溢流玄武岩喷发是大气CO2浓度增加的原因(见图2)。
1000km3熔岩要释放1.6×1013 kg的CO2,3×1012kg的硫和3×1010kg的卤素。一个巨大火成区的累积过程要发生上千次这样的喷发,它使现代人类造成的污染物产生的影响相形见绌[42]。
120Ma前海底热幔柱喷发形成翁通爪哇海台的体积为36×106km3,15 Ma前发生的哥伦比亚溢流玄武岩体积为1.3×106km3,释放的CO2分别为5.8×1017 kg和2.1×1016 kg。
Engel and Engel给出了北美火山喷发曲线[45],Larson给出了1.5亿年以来全球地磁、洋壳产量、古温度、古海平面、黑色页岩的异常变化[46],与图1-2的变化趋势基本一致。
图2 1.2亿年以来热幔柱喷发的规模比较:规模变小与气温变冷对应
图3 全球巨大火成区
参考文献
杨冬红, 杨学祥. 地球自转速度变化规律的研究和计算模型. 地球物理学进展, 2013,28(1):58-70。
杨冬红,杨学祥. 全球气候变化的成因初探. 地球物理学进展. 2013, 28(4): 1666-1677.
杨冬红, 杨学祥.灾害频发和地磁减弱的关系. 世界地质,2011, 30(3): 474~480
杨学祥。火山作用的双重性:短期致冷和长期致热。2010-1-31 06:19。科学网。http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-291543.html
http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1275648.html
导语:当下,人们对于环境问题的认识也是越来越深刻了,大部分人们都对于全球气候变暖和生态环境遭到破坏,这样的一个事实,认识得非常清楚。很多人认为当下气候、环境变暖,就是因为人类过度的活动,向空气中排放的二氧化碳浓度过量而导致的。
但是科学家又分析了很多的原因,因为当下人类的发展,对于自然资源的过度开发,再加上现在一些机动车,工厂等很多的因素,才会让空气中二氧化碳的浓度上升,造成了全球气候变暖这样的情况。
现在科学家又说出了一种新的情况,那就是这个原因也会导致全球气候变暖,并且有可能是最主要的原因,那么,这个原因到底是什么呢?
那就是地球本身正在释放热量。
其实从工业革命开始,人们就对于环境污染,没有太过于重视,只有近些年,地球随着人类过度的开发,而变得对人们的生活产生伤害,才会逐渐去正视环境的一个问题。
人类在过度的开发过程中,向我们的自然环境中排放污染物,废弃物,这样的状况让全球的平均气温上升了0.6摄氏度。全球气候变暖,让整个地球的生态环境都遭受到了不同程度的改变,现在最重要的问题就是南北两极冰川的融化。
大家都清楚,冰川融化之后,过量的淡水资源融入海洋,海平面会直接上升,而上升则会对于陆地面积产生严重的危害。
大家可能认为,就算这些冰川都融化了,海平面能上升多少呢?其实,有科学家进行过统计,如果当南北两极的冰川都进行融化,而陆地面积则会被海平面侵蚀的非常严重,而这样的话,一些沿海国家、海拔较低的国家将会直接倾覆,不复存在。
下面说回科学家正在研究的全球气候变暖的另一个重要原因,那就是地球内部正在释放热量,而这一个热量,大家都在考虑到底是怎样来的呢?
其实从科学家研究的角度来讲,我们地球的内部有地核,而这一个内核里面的物质都是岩浆,所以说,地球本身就是一个非常巨大的热量和能量的仓库。我们都看到过,火山喷发喷出来的岩浆,其实都是从地下、地底内心发出来的,它的温度竟然高达1200摄氏度到1300摄氏度,所以才会产生这些天然的温泉。
最主要的原因就是因为地球内部有放射性的物质,而这些物质产生了衰变而释放出这样的热量,所以说,地核中的岩浆不断地衰变释放热量,也会对于地球气候变暖产生重大的影响,而科学家经过了科学研究,发现地球一年究竟能够产生多少的热量呢?
没想到这个数据竟然是一个天文数字,大约是21万亿亿焦耳的热量,而这样的热量真的是让人触目惊心,科学家们也经过了统计,这样潜在的地球热量竟然相当于人类消费493亿吨煤而发出的热量。
所以说,科学家认为地球内部的岩浆热量也是导致目前地球气温上升的重要原因。
结束语:不管全球气候变暖的主要元凶是谁,但是都无法阻挡目前的地球是正在进行变暖的趋势,而变暖之后对于人类的生存和发展的环境,就产生了严重的威胁,我们当下不能够光追求原因,而是要积极地寻求处理方法去改善全球气候变暖的状况,保护好生态环境,保护好人类赖以生存的大自然。
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