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地球种种灾难的根源可能在地下,不在天空

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(PS:本文系连载,可先阅读前一篇文章《人类和地表生物可能是地球大生物体的粮食作物》,感谢您的支持!

(一)接踵而至的灾变

近年来,全球灾难频发。

新冠病毒肆虐两年有余,至今已造成2.8亿人确诊,多万人死亡。全球范围内的高烈度地震、火山爆发,以及极端天气,接踵而至,越来越密集。

以最近为例,西班牙拉帕尔马岛上的老昆布雷火山已持续喷发了三个月,喷发的岩浆覆盖超过平方公里的土地,造成近座建筑物、超平方公里农田被摧毁。上周,印尼火山大规模爆发,至今已经造成48人死亡、数百人受伤。日本的富士山也开始蠢蠢欲动,很可能在近期内爆发。

各地地震的消息也是源源不断。从本月初起,日本几乎天天都在地震,甚至几小时连续发生数百次地震,专家预测近期可能会爆发9级以上的地震,届时可能会有海啸袭击,引发举国上下“日本沉没”的恐慌。12月7日至12月9日,美国俄勒冈州的海岸附近在短短48小时内发生了近次地震,有9次更在5级以上,最大一次达到了5.8级,同样引起了民众的担扰。12月14日上午,印尼海域突发7.5级地震,当地气象局随即发布海啸预警。12月20日,美国加利福尼亚州北部附近海域发生了6.2级地震。

据中国地震台网统计,就本月全球发生5级以上地震有37次,6级以上地震7次,7级以上地震1次。最大的一次是12月14日,印尼弗洛勒斯海发生7.3级地震,还引发了海啸预警。而我国的江苏常州,一向极少发生地震的地方,也在前几天爆发了4.2级的地震。很显然,当前地震爆发的频率越来越快,地壳已经进入了高度活跃期。

与地震、火山等地质灾难同步到达的,则是全球范围内的气候异常现象。年到年,又是一个超级厄尔尼诺年,几十年甚至几百年不遇的奇热、奇冷、严重干旱、特大暴雨、严重冰雹、特强台风等,如同赶集般的接踵而来。

单论年。北美洲的美国、加拿大、墨西哥纷纷出现超过40摄氏度的高温,美国加州死亡谷地区地表温度更是达到可怕的81℃,面积达平方公里的墨西哥第二大湖泊——奎佐湖干涸,造成大量动植物和人员的死亡。阿拉伯半岛的科威特室外温度突破72℃,直接导致科威特国内的柏油路破裂,居民楼胀破,电缆线被融化,很多基建设备彻底报废。

当北半球遭遇滚滚热浪,处于热带的非洲却迎来了雪花飘飘。年7月,南非很多国家气温降到零下5摄氏度,还下起了鹅毛大雪。从来没有经历过寒冷的南非各国人民,有些家里连一件棉衣、一床棉被都没有,很多人被冻伤甚至冻死。

更让人震惊的,今年7月份我国最大的沙漠——以往年降雨量不到毫米的塔克拉玛干沙漠,竟然发生了史无前例的洪水泛滥。

而就在上星期,史上罕见的超强龙卷风横扫了美国中部的六个州,而且一来就是50个,造成多人死亡,大量建筑物倒塌,很多小镇被彻底抹平。

远不止这些,从去年至今,还有澳洲大火、美洲流感、新型冠状病毒、东非大蝗灾……接踵而至的种种灾变,让每一个人都忧心忡忡提心吊胆:究竟是什么原因造成如此多的灾变?它又在预示着什么?

(二)地球灾变的根源,可能在地下

人类的诞生不过几百万年历史,现代科学的兴起还不足五百年,对地球内部几乎是一无所知。世界上最深的地质钻孔——俄罗斯库页岛的OdoptuOP-11油井也不过米深,不到地球半径的0.2%。因此,对于来自地球内部的强大力量——越来越频繁的地震和火山等,各国政府和科学家并没有什么有效的应对之策。

而对于近年来发生的各种气候异常,许多研究者认为这可能与人类过多排放二氧化碳,从而引起的温室效应有关。这种观点正被各国政府所采信,并专门召开了多次全球气候大会,以统一认识,制订应对方案,并付诸行动。

例如,年12月在丹麦首都召开的哥本哈根世界气候大会,来自个国家的谈判代表商讨《京都议定书》一期承诺到期后的后续方案,即年至年的全球减排协议。而今年最近的一次,是上个月在英国格拉斯哥召开的,已经是第26届全球气候会议了,也是《巴黎协定》进入实施阶段以来的首次气候大会。

但是,全球气候变化是否真的跟人类排放二氧化碳有关,科学界还存在不少争议。有一些科学家认为,人类活动对气候的影响很少,地球气候的波动主要受太阳和地球系统的周期性震荡有关。也就是说,引起地球气候变化的,主要是自然因素,而不是人为因素。

比如,在太阳黑子活动最弱的年~17l0年,正是小冰河期里最寒冷的时期。科学家们对冰芯的同位素变化、树木年轮以及海底沉积物的研究,也都已经证实,在1年的气候循环之间,地球气候和太阳活动的小波动之间有一定的关系。

而在过去的年里,最温暖的时期是罗马帝国时期和中世纪。尽管当时的二氧化碳水平比较低,但是当时的气温比现在还要高,这显然不是化石燃料燃烧产生二氧化碳的缘故。

同样,比较近年来的全球气温变化与二氧化碳的含量变化,发现并非明显的正相关。比如,年之前出现过好几次的气温下降,而二氧化碳含量却一直上升。从年到年,也是如此。

年1月27日,《华尔街日报》曾刊登Allegre等16位科学家联合署名题为《对全球变暖不要惊慌》的文章,认为近l0年来地球气候没有变暖,呼吁不要压制气候变暖怀疑论者的声音。

质疑者提出,如果温室效应理论是有效的,那么两极地区的气温应该因人为排放大量二氧化碳而大幅上升,气候变化也应该开始于极地地区。但是,大量的地面监测站和卫星观测的数据表明,自从20世纪60年代以来,只有指向阿根廷方向的南极半岛气温在上升,而超过南极大陆面积98%的地区,气温都在缓慢地下降。北极地区也是如此,仅阿拉斯加的许多地方有变暖的趋势,而其他地区并无变暖的迹象。(史军,气候变化的冷思考,阅江学刊,第3期,.6)

这意味着将当前气候变暖归因于温室效应很可能是错误的,二氧化碳很可能只是恰逢其会,却被有意无意地当作是元凶了。

那么,究竟是什么原因导致当前的全球气候异常呢?

在年召开的哥本哈根国际气候大会上,一位澳大利亚学者提出了一个新观点,他认为全球气温上升的根源,可能在地球内部。

这位学者研究了南北两极的冰川融化的现象,发现冰川融化不是按人们一般认为的从外到内进行,而是从内到外进行的,即冰川底部的融化速度要快于冰川外部的融化速度。这意味着融化冰川的热量,可能来自地球内部,而非大气。

无独有偶,我国吉林大学地球探测科学与技术学院杨学祥教授也认为,地球内部的能量释放才是导致气候变化的主要原因。他在《自然杂志》上发表的一篇论文认为,地球内部除了放射性元素的衰变放热,还有地幔的差异旋转、内核的震动等,都会释放大量内能,这是导致当前气候变化的主要原因。而面积广大、厚度较薄的大洋底部,则是地球内部热能传递的主要渠道,他称之为“海洋锅炉效应”。

“超级热幔柱在赤道区核幔边界(此处角动量交换最强烈)产生,在赤道区海底扩张带或热点喷发,加热海水,形成赤道和两极间的海洋整体热对流。计算表明,Ma前形成的翁同爪畦海台的海底火山喷发,可使全球海水增温33℃。我们称之为‘海洋锅炉效应’。海水增温和海洋整体对流,使两极温度上升到冰点上,形成全球无冰气候。

近年来,格陵兰的新冰芯显示,1O0~O0aB.C.之间有23次DIO事件,温度突然增加6~7℃。这类延续上千年的事件,在冰期中以二三千年的准周期或假周期出现,与大洋深部环流的突变有关,是由于北大西洋深层水的间歇性形成,海水释出的热量导致大气升温。在不到60O0a的时间内,大洋底层水增温4℃以上,底栖有孔虫50%绝灭的‘古新世末事件’,为‘海洋锅炉效应’提供了突出的例证。”(杨学祥,地球反对称构造与气候变化的关系,自然杂志,23期第3卷,.11)

他还认为包括海底火山喷发以及众多的热液喷射在内的“海洋锅炉效应”,给局部海水加热升温,改变了洋流方向及全球热量分布,是造成厄尔尼诺现象的主要原因。

温室效应产生的主因也不是人类活动,而是地质构造运动和海洋增温,使深藏于岩石圈和海底的大量温室气体——甲烷与二氧化碳被排放了出来,从而加剧了全球变暖。

巧合的是,不久前德国海洋学家在权威学术杂志《自然》上发布报告称,他们发现了海下米深处神秘的深海喷射流,这种喷射流能导致热带大西洋风向、降水及海洋气温出现异常。

德国莱布尼兹海洋科学研究中心研究员皮特·勃兰特表示:“到目前为止,当试图解释热带气候变化的原因时,我们总是向天上看,尤其是大气层,而最新数据第一次将我们的注意力转移到了海洋深处,为我拓展了新的研究方向……我们研究了热带大西洋海洋表面长时间的气温变化以及深处的水流循环,而结果显示,这两者之间是有紧密联系的。”

文章中称,目前在沿赤道横跨整个大西洋的水域下,这种喷射流正以英尺至2英尺的时速流动,它们蕴藏的动能改变了表层洋流,导致全球约每四年半一次的气候变化。

虽然还不知道是什么原因导致了这种深海喷射流,但毫无疑问它必然是地球内部能量的一种释放方式,也印证杨教授之前的猜想。

或许,导致当下越来越频繁的气候异常的根源,真的不在天空,而是在地球内部。那么,地球内部的能量又来自于什么?

(三)地球能量可能主要来自核聚变

按照传统的说法,地球内部的能量源自放射性元素如不稳定的铀、钍和钾的衰变,以及地球最初形成的余热。但近年来,科学家对岩石样本成分进行测量,却发现源自放射性衰变的那部分热量可能只占小部分,且具有较高的不确定性,地球内部还有50%的热量来源成谜。

年8月,有科学家在《自然通讯》杂志上发表论文,称中微子可能提供揭晓这50%热量来源的重要线索。文章称,铀衰变时释放地球-中微子的能量将远大于钾分裂时释放的能量,只要测量地球-中微子的能量,就能知道它们来自于什么类型的放射性物质。但遗憾的是,地球-中微子是非常难以探测的,所以至今都不清楚这神秘的50%热量究竟来自何方。

值得一提的是,年中国原子能科学研究院的蒋崧生、何明在《自然杂志》上发表了一篇论文,题为《海洋热流中的3He:地球深处核聚变的证据?》。他们认为地球内部除了核裂变,还可能发生了天然核聚变,这为研究那神秘的50%热量来源提供了一种新的思路。

这个猜想的依据,一是大洋山脊喷出的热液中的3He含量与温度(热量)变化呈线性关联,说明地球内部产生巨大的热量可能与3He的生成机制有关,而3He通常在氢核聚变时产生;二是这喷射热液具有几乎恒定的高3He/4He比值,约为大气值的8倍,与大洋中部山脊玄武岩(MORD)中的比值接近,说明海底热流是伴随MORD来自地球深处;三是喷出液热量与3He/4He比值之间存在线性关系,说明地球深处可能同时存在相关联的核裂变和核聚变反应,他们创建了一个机理,据此计算出喷射液热量与3He/4He比值的关系,符合实验数据。(蒋崧生、何明,海洋热流中的3He:地球深处核聚变的证据?自然杂志,28卷,第3期)

其实,猜测地球内部发生天然核聚变的,不止蒋崧生、何明等几个人。早在上个世纪80年代,Jones等就曾提出地球(星球)内部天然核聚变的假设,只是未能在理论和实验上取得进展。

我国长安大学地球科学与资源学院教授、知名构造地质学家杨志华等,也主张地球内部存在类似于恒星演化阶段的轻核聚变反应。

年7月,杨志华、晁会霞,吴旭等在《地学前缘》杂志上发表了一篇论文,题为《行星地球元素的演化与地球内部的相对运动:再论中国大地构造发展演化的新全球动力学理论》。

文中提出,地球的组成和地核、地幔、地壳3个圈层的形成,可能是随核元素的燃烧阶段逐步实现的,先形成原子序数小的长英质酸性核变岩,后形成原子序数大的铁镁质的超基性——基性核变岩,跟恒星的演化过程有些相似。而核元素转化过程中所释放的巨大能量,则是大地构造发展、演化的唯一的动力来源。

杨志华等所指的恒星演化理论,不是大爆炸理论,而是美国科学家Fowler等人提出的元素核生成理论,即认为所有金属性元素都是恒星演化不同阶段的产物。这一理论被认为是科学史上最伟大的丰碑之一,Fowler也因此获得了年诺贝尔物理学奖。

根据Fowler的理论,在恒星不同演化阶段,核元素会燃烧形成不同的元素,并释放出巨大的能量。如:氢燃烧合成He,氦燃烧合成C、O、Ne、N,碳、氧燃烧合成Ne、Na、A1、S、P、Si,硅燃烧合成Fe、Ni、Mg等,元素的原子序数从低向高聚变,并释放出巨大的能量,是恒星能量的唯一来源。

论文中提到,宇宙中最丰富的lO种元素的顺序是:氢氦氧碳氖氮镁硅铁硫,其中氢和氦在98%以上,金属性元素不到2%。无论地球何种起源,它最初的物质应当主要由H、He和小原子序数的金属性元素构成,大原子序数的元素所占比例应当很少。但事实上,地球中最丰富的10种元素及其顺序却是:铁氧硅镁镍钙硫铝钛钠,与宇宙的前10种元素有巨大差别。这表明地球必然经历了元素的核燃烧阶段,把大量原子序数小的元素聚变成了原子序数大的元素。

而最有力的证据,则是不同地质年代的岩石中所含的元素成分不同。地质年代越早,岩石中所含轻质元素越多;地质年代越晚,岩石中所含重质元素越多。这说明地质年代不同,地球内部的核聚变阶段也不同,元素向原子序数从小向大的方向聚变。

比如,在地球太古代时期形成的岩石以长英质酸性核变岩(Na、Si、A1、Ne)为主体,即使混有超铁镁质——铁镁质的玄武质核变岩,也是在长英质岩石的基础上再次经过硅热核反应形成。典型的如前寒武纪时期形成的岩石,就是以K、Na、Ca、Al为主的长英质酸性岩。自中新生代以来形成的岩石,则主要是以Fe或Fe、Mg质为主体的玄武质核变岩,如太平洋、大西洋、印度洋的大洋底部岩石,就是其中典型的代表。

此外,地球内部可能存在极其丰富的氢,可能正是天然核聚变最初的原料。当年俄罗斯为了与美国竞争,在库页岛上挖了世界上最深的油井,其中有个意外收获就是发现了大量氢沉积物。这些氢沉积物的量非常大,以至于从该洞挖出的泥浆都与氢沉积物一起“沸腾”起来。

据phys.org网站当地时间5月12日报道,日本东京大学和北海道大学领导的团队以金刚石砧和化学物质模拟年轻的地核,首次通过高温高压实验证实:在极端条件下,氢与铁能够紧密结合。地震数据表明,地核的密度(尤其是液体部分的密度)比铁的密度小得多,由此推测出地核中铁的周围一定含有丰富的轻质元素,他们猜测可能是氢。

巧合的是,伦敦大学的JohnP.Brodholt教授团队通过第一性原理分子动力学模拟预测了20-GPa和-0K下氢在铁和硅酸盐熔体之间的分配系数,结果也表明在高温高压下氢具有明显的亲铁性,即在核幔分异过程中氢更倾向于进入地核。因此,他们作出了同样的猜测:地核很有可能是一个大型的氢储库。

——原子核比结合能与质量数的关系

至于为什么铁元素的含量最多,高中物理教材中原子核比结合能与质子数的关系图解释了其原因。原子核的比结合能越大,就意味着原子核中的核子结合得越牢固,原子核越稳定。从图中可知,在所有元素的原子核中,铁原子核的比结合能最大。因此,无论是核聚变还是核裂变的途径,最终生成最稳定的元素便是铁。铁元素是地球上最丰富的元素,同时也意味着地球内部核聚变和核裂变两种途径可能是并存的。

而根据爱因斯坦质能方程E=mc2,质量亏损可转化成巨量能量,地球内部无论发生核聚变还是核裂变,都能产生巨量的能量。这是维持地球内部高温,推动大地构造发展、演化的动力来源,也正是导致当前频频发生地震、火山以及气候异常的根源所在。

然而,问题并没有真正解决,还有更多的困惑等待我们破解:

1、如果地球上的元素真的是核聚变而来,那么最初发生核聚变的氢又从哪来?

2、核聚变和核裂变都是质量亏损转化成能量,那几亿年来地球的质量为什么反而增大了?

3、地球内部一直发生着核聚变和核裂变,那地壳为什么会有稳定期与活跃期的周期性变化?

4、地球内部的核反应与地表生物的兴衰,究竟有没有关系?

5、最关键的,我们人类究竟有没有办法应对越来越多的灾变?

………

(未完待续!请加入我们,愿与您携手探索宇宙与生命的奥秘!)




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