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地球正在快速失能,或将提前“关机”

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地球内部的冷却速度比之前认为的要快。


瑞士苏黎世联邦理工学院的科研人员最近发现,地球内部能量的消散速度可能要比人们以前认为的快。

与地球的演化相伴随的是地球的持续冷却。45亿年前的地球是一个炽热的球体,地球表面被熔岩海洋覆盖。几十亿年过去后,地球的表面已经冷却,形成了薄脆的地壳。

虽然地球内部依然拥有巨大的热量,地球仍然是一个活跃的星球,地幔对流,板块和火山运动都在继续;但是地球逐渐冷却的趋势没有变,只是这种冷却的速度究竟有多快,由热驱动的地质运动还能持续多久还都是谜。

这些问题的答案与地核和地幔交界处的矿物热传导性有关。地核和地幔的交界处,是粘稠的地幔物质和炽热的液态铁镍外地核物质直接接触的地方。在这里,两个地层物质的热量梯度极大,因此科学家认为,在那里,热量可能正在大量流失。

地核和地幔的边界主要由一种名为布氏岩(bridgmanite)的矿物质组成。但是究竟有多少热量通过这种矿物质传递到了地幔却很难估算,因为要做这样的实验非常困难。

幸运的是,来自苏黎世联邦理工学院的教授Motohiko Murakami和来自卡内基研究所的研究员研制了一种精巧的测量系统,有了这种系统,科学家就能在实验室里,在与地球内部相同的压力和温度条件下,测量布氏岩的热传导性。

测量结果显示,布氏岩的热传导能力比理论假设值高出了大约1.5倍。这表明,从地心向地幔输出的热量要比人们之前设想的多。地幔获得的热量越多,地幔的对流活动就越强烈。而对流越强烈,地球内部的热量流失速度就越快。由于板块活动受地幔对流驱动,板块活动的停止也会提前发生。

地幔的快速冷却,会改变地核地幔交界处矿物的稳定相态。随着冷却的发生,布氏岩会转化成后钙钛矿(post-perovskite)。而当后钙钛矿在地核地幔边界处出现,并逐渐占据主导地位,地幔的冷却速度会变得更快,因为后钙钛矿的热传导能力比布氏岩更强。

研究结果表明,地球和其他岩石行星,比如水星和火星一样,会以比预期更快的速度冷却,以更快的速度变得不活跃。

地球的冷却或将导致地幔的对流活动不再进行。但是由于目前科学家对地幔对流的机制,以及地球内部放射性元素衰变产生的热量对地幔的动力学影响不甚了解,这种情形究竟会在多久之后发生尚不得而知。

参考

Radiative thermal conductivity of single-crystal bridgmanite at the core-mantle boundary with implications for thermal evolution of the Earth

http://dx.doi.org/10.1016/j.epsl.2021.117329

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