地球的内部的热量来自哪里？放射性元素衰变
[摘要]日本的一个研究小组通过中微子探测器来观测地球内部放射性元素的数量和分布情况发现在地球表面释放的热量中，大约有54%来自放射性物质衰变。
地球诞生的初期是一颗炽热星球讯 地球在诞生几十亿年之后，仍然是一颗内心炽热、表面温暖的星球。一个国际研究小组最近报告说，他们通过对中微子的观测发现，地球自身热量大约有一半来自放射性物质衰变，另一半则是从地球刚形成时保存至今的原始热量。 此前曾有研究由间接证据推算出类似的数值。这项新研究是首次根据实际观测得出结论，有助于研究地球的形成和演变过程。相关论文发表在新一期英国《自然地球》杂志网络版上。 以日本东北大学为主的这个研究小组，利用位于日本中部岐阜县一座矿山地下千米处的装置“KamLAND”，观测来自地球内部的中微子。中微子是一种不带电、质量极小、穿透力极强的基本粒子，可由多种途径产生，包括地球热量的重要来源——放射性铀和钍的衰变过程。 由于中微子可以穿透几乎任何障碍，即使放射性物质位于地下深处，也能依据观测到的中微子数量，推算出放射性物质的数量和分布情况。 从2002年3月到2009年11月，研究小组共观测到841个中微子。排除掉来自核电站、核废料、射线等的中微子之后，可能有106个中微子来自地球内部天然放射性物质的衰变。 据此推算，地球内部天然铀-238和钍-232衰变产生热量的功率大约为21万亿瓦。结合以前对钾-40等物质衰变的研究，研究小组得出结论——在地球表面释放的热量中，大约有54%来自放射性物质衰变，剩余部分是从地球诞生时保存至今的原始热量。 科学界通常认为，太阳系是近46亿年前从一片气体尘埃云中诞生的，其中一部分尘埃在引力作用下收缩成为地球。地球在最初形成时是炽热熔融的状态，此后因为原始热量流失而逐渐冷却。同时，地球内部铀、钍、钾等放射性同位素的衰变，持续产生出新的热量。 这项研究加深了人们对地球热量产生和流失情况的认识，可望为地质研究提供帮助。地球内部热量是地质运动的原动力，火山、地震、山脉的形成与变迁，都是地球热量释放的体现。
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&&&&&国广播公司(BBC)报道，2015年11月英国经历了有史以来最炙热的11月，而就在不久前世界气象组织(World&Meteorological&Organization，简称WMO)刚发布消息称2015年很可能是有史以来最热的一年。全球温度已经高于工业化前水平一摄氏度，这已经到达两摄氏度上限的一半——2009年全球领导人承诺阻止温度上升不高于工业化前水平两摄氏度。
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地球究竟能变得多热？
就目前而言，全世界的温度似乎一直在上升。地球究竟能变得多热？人类导致的变暖效应究竟是否存在上限？地球生态系统将随着气候的变化而发生改变。燃烧化石燃料释放温室气体。　　2015年11月英国经历了有史以来最炙热的11月，而就在不久前世界气象组织(World Meteorological Organization，简称WMO)刚发布消息称2015年很可能是有史以来最热的一年。全球温度已经高于工业化前水平一摄氏度，这已经到达两摄氏度上限的一半——2009年全球领导人承诺阻止温度上升不高于工业化前水平两摄氏度。至少就目前而言，全世界的温度似乎一直在上升。地球究竟能变得多热？人类导致的变暖效应究竟是否存在上限？　　对地球而言气候变化并不陌生，纵观46亿年的历史，地球经历了无数次温度波动，但最终总能回归到大约相同的温度范围，这是因为它存在控制自身温度的机制。其中一个关键机制就是温室效应。空气中的温室气体，主要是二氧化碳、甲烷和水蒸气，会围困来自太阳的辐射，就像一个隔热层包裹着地球。　　没有温室效应，地球平均温度将低达-18摄氏度，地表将覆盖冰。我们所知的生命将无法存活。很明显温室效应是个好现象，但它也可能过犹不及。截至目前，整个世界仍在变暖。　　人类存在地球的时间非常短，然而我们却成为地球气候变化最重要的驱动因素。通过燃烧化石燃料和砍伐树木，我们向大气层释放了越来越多的二氧化碳，而这已经导致温度上升。　　在2000年至2010年十年间，我们释放二氧化碳的速率已经超过了前十年的四倍，且这种上升趋势并没有任何逆转的迹象。问题在于，这些额外的温室气体在未来几十年或者几个世纪内将地球加热到什么程度？　　为了预测未来地球的状态，科学家们建立了电脑模型模拟地球气候变化。这些模型非常复杂，但它们最终还是依赖简单的物理学，例如空气和水的特性。通过结合人为和自然变化，这些模型可以估计当释放了特定量的温室气体，气候将如何发生变化。世界上有多少像这样的地方？雷达图片显示金星表面非常贫瘠。　　2013年至2014年，政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,简称 IPCC)将这些预测整理成报告。结果表明如果温室气体释放量像过去五十年一样继续上升，那么在本世纪末全世界温度将比工业化前水平高出四摄氏度。此外，这种变暖效应并不会在本世纪末停止。　　随着时间的推移，我们将越难预测未来可能发生的情况。目前的模型表明2200年全球温度将比工业化前水平高出七摄氏度，但这一温度将保持稳定，前提是我们不再释放温室气体。　　然而，我们无法确保这一点，因为地球气候是一个非常复杂的系统。随着气候变暖，好几个过程的发生可能导致变暖加剧。例如，更温暖的世界会导致雪和冰的融化，暴露出吸收而非反射太阳热量的黑暗土地。相似的，地表将蒸发更多水蒸气，由于水蒸气也是温室气体，它将围困更多的热。　　海洋可以减缓气候变化，因为空气中的二氧化碳会溶解在海洋里。但更温暖的海洋吸收的二氧化碳较少，导致空气里残留的二氧化碳更多。这些反馈都较好理解，但其它的则很难解释：例如， 云覆盖量的改变将如何影响气候？或者极地永久冻土里的甲烷将何时释放？气候模型只能基于我们已知信息进行预测，所以当温度上升到超出人类所经历的范围，那么做出的预测就不那么可靠了。就此我们可以另辟蹊径：调查过去所发生的一切。最终太空将烘烤地球。　　大约5500万年前，地球经历了历史上最快速的温度上升事件之一。在古新世—始新世气候最暖期(Paleocene-EoceneThermal Maximum,简称PETM)，极地地区海洋表面平均温度高达10摄氏度，而同比现在温度只有-2摄氏度。当时棕榈树可以生长在北至北极圈的地区，极地地区完全没有冰。有些物种可以在闷热环境里繁衍生长，而其余的则灭亡。　　很明显温室气体是主要的驱动因素。尤其是海底逃逸的大量甲烷释放至大气层，加剧了温室效应。至于甲烷是如何逃逸的目前仍是未知。科学家们提出了火山爆发或者彗星撞击的可能性，但最可能的解释是地球因为其它某种原因而逐渐变暖。当它到达特定温度，存储在海底的甲烷变得不稳定。　　PETM表现出与当今世界非常相似的轨迹。尤其值得一提的是温室气体的含量大约与人类烧光所有化石燃料所释放出的量相当。这些气体将导致在几千年的时间内地球温度升高至少五摄氏度，甚至可能高达八摄氏度。这是否就是变暖的极限？还是地球可以变得比PETM时期更炙热？　　此外还有一个或可能加热地球的理论机制：“逃逸的温室效应”。加热地球会释放更多温室气体，导致加剧的变暖效应。理论上来说这种自动供给机制将变得无法阻挡，将地球加热上百摄氏度。但这在地球上却从未发生过，科学家们相信这种现象在30至40亿年前地球最近的邻居金星上真实上演过。金星完全被气体包裹。　　金星比地球距离太阳更近，所以它最初的温度也更高。金星表面温度是如此之高以至于所有液态水都蒸发至空气中。水蒸气围困了更多热，而金星表面没有水因此无法吸收存储二氧化碳。这导致极端的温室环境。最终所有的水蒸气都丢失至太空，导致金星大气层里96%都是二氧化碳。现在金星全球温度为462摄氏度，这一高温足以融化铅，它使得金星成为太阳系里最炙热的行星，甚至超过了距离太阳更近的水星。　　几乎可以肯定的是，在几十亿年的时间里地球也将难逃这样的噩运。随着太阳逐渐变老，它将耗尽燃料并变成一颗红巨星。最终它是如此明亮以至于地球无法将额外的热量消散至太空。地球表面温度将继续上升，煮沸海洋，引发杀死所有已知生命的逃逸的温室效应，最终只剩下一个被厚厚一层二氧化碳烘烤的地球。　　然而，太阳的这些变化将发生在几十亿年后，所以目前尚不算迫在眉睫的问题。真正问题在于我们自己是否会引发逃逸的温室效应？2013年发表的一篇文章表明这是可能的，前提是我们释放了难以置信的大量二氧化碳。这些气体目前浓度为400ppm，相比工业前水平的280ppm有所增加。要引发逃逸的温室效应，这一浓度水平必须增加到300ppm。　　这将需要燃烧所有已知的化石燃料所释放出的二氧化碳量的十倍。考虑到温室气体的来源还有很多，例如PETM时逃逸的海底甲烷，所以我们无法将这种可能性完全排除，但目前看来这种可能性还比较低。但这并不意味着加热地球没有任何危害。几摄氏度的温度上升会带来各种气候影响，尤其是考虑到地球某些地区太炙热以至于人类无法生存。　　地球上最炙热的地方，例如美国加州的死亡谷，温度高达50摄氏度。这样的热是非常危险的，但加上合理的护理还是可以存活的。这是因为空气是干燥的，所以我们可以通过排汗降温。如果空气炎热又潮湿，就像热带丛林一样，那问题就有些棘手。空气饱含水分意味着我们汗液蒸发的要更慢，降温冷却也相应的更慢。热带雨林炙热且潮湿。　　评估热和湿度的结合的最佳方式便是测量“湿球温度”，这是指小球被湿布包裹同时有风扇朝它吹风时的温度。如果你在排汗，那么这就是你的皮肤可以冷却的最低温度。　　人类必须保持37摄氏度的核心体温。为了确保我们可以散热，皮肤的温度大约都在35摄氏度。这暗示着湿球温度高于35摄氏度——且这个温度维持数小时——将是致命的，即使我们能够存活下来，我们也必须保持静止不动。　　即使在最闷热的热带雨林，目前记录的最高湿球温度也从未超过31摄氏度。这是因为潮湿而炙热的空气是不稳定的，它会上升而冷却的空气在下方扫过，后者也是引发热带风暴的原因。但这也不是一成不变的。　　只有在周围空气冷却且密集时，空气才会上升。所以如果气候变化加热了热带，空气将在上升之前变得更加炙热和潮湿。2010年发表的一篇文章估计，全球温度平均上升一摄氏度，最大的湿球温度将上升0.75摄氏度。这产生了某些令人心有余悸的结论。全球温度上升7摄氏度——我们预计将发生在2200年——会导致地球某些地区不适应人类生存。全球温度上升12摄氏度，地球一半以上的地区将变得无法生存。温度升高几摄氏度将融化大量冰原。　　当然，我们肯定会尝试安装大量空调设备来适应这种高温环境。除了成本高昂，这还将导致人类被囚禁在建筑物内长达数天或数周。　　即使这一切最终没有发生，目前的趋势表明地球温度很可能在本世纪末比工业化前水平高出4摄氏度，比现在水平高3摄氏度。这并不会直接导致人类死亡或者地球某些地区不宜居，但会引发某些巨变。　　大约两万年前地球温度比现在低4摄氏度，这段时期被称为“末次冰盛期”。冰原覆盖了大部分加拿大和北欧地区，包括大不列颠群岛。自那时起地球已经变暖了四摄氏度，这足以融化欧洲和北美的冰原，融化的雪水导致海平面上升了几十米，淹没了浅岛。不难想象，全球温度再上升4摄氏度将给整个世界带来怎样的变化。(严炎刘星)来源：新浪科技
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