地震後地球自轉為何會加快?它釋放的能量來自哪裡?

2020-11-29 李論科學

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我們能在地球上繁衍生息,建設美麗的家園,這完全得益於地球氣候和地質的穩定性,但時而發生的地震會給我們人類建造的設施造成嚴重的破壞。地震使地面振動和開裂,建築物搖晃,甚至會造成災難性的海嘯。簡而言之,地震發生在錯誤的地方將會造成巨大的經濟損失,和人員傷亡。

我們都知道,地震是地球板塊運動的結果,但刨根揭底問:地震的能量來自哪裡?

除了地球,其他天體也會地震

在太陽系中,地球並不是唯一一個有地質活動的星球,會自發地產生震動。其他的行星如金星也有地震,月球也有,甚至像太陽這樣的恆星也有地震!那地震之所以如此神秘和讓人恐懼的原因是,它的無法預測性和強大的破壞能力。我現在能準確地預測天氣預報,是因為我們可以把衛星放在天上俯視整個地球的大氣活動,但我們無法鑽到地底下去看地球,這是地震無法預測的主要原因。

但這並不代表我們對它的成因和能量的來源不了解。

發生在星球上的所有地震都會釋放出大量的能量;太陽表面的地震釋放出的能量是1906年舊金山地震的4萬多倍,這是有記錄以來破壞性最大的地震之一。但我們平時沒有意識到的是,所有的能量必須來自某個地方,而簡單的解釋:地震時因為構造板塊碰撞,根本行不通。

通常板塊構造可以告訴我們地震最可能在哪裡發生,地球物理學可以告訴我們引起這些地震的不同類型的斷層,但這些都不能告訴我們地震的能量來自哪裡。

地震後,地球的自轉後期會發生微小的改變

不管是在電視還是在生活中,我們經常會看到滑冰運動員的旋轉動作,收緊雙臂時的旋轉速度明顯快於張開雙臂時的旋轉速度。

在我們的物理宇宙中有幾個量是基本守恆的,其中一個就是角動量守恆。角動量,通俗地說,是系統的旋轉速度(稱為角速度)和系統質量如何分布(稱為慣性矩)的乘積。當運動員把手臂收回來時,她的慣性矩就減小了,因此為了保持角動量守恆,其旋轉速度就需要增加!

那麼,現在猜一猜,地球在每一次發生可測量的地震後,會發生什麼變化?

每次地震後,地球一天的轉動周期就會縮短一點點。例如,2011年日本地震(包括餘震)將一天縮短了1.8微秒,2010年智利地震將一天縮短了1.26微秒,2004年蘇門答臘地震將一天縮短了6.8微秒!

當然,地震造成的這些都是很小的數字,而我們每年因為月球-地球-太陽系統的潮汐摩擦力而地球的一天會增加14微秒,但地震造成的微小變化還是可以測量的。由於角動量是守恆的,而地球的角速度是變化的,這就告訴我們,每一次地震後,地球的慣性矩也會改變。

為什麼會發生地震

但是地球的慣性矩變化不像是運動員張開雙臂的時候,地球沒有足夠的能源來引起這種形態的改變,這是在膨脹。地球的能量只有一個來源:重力勢能!眾所周知,地球是由周期表中所有穩定和準穩定的元素組成的,包括從1(氫)到94(鈽)的所有元素,不包括三種不穩定元素。

我們知道組成地球所有的元素不是均勻的攪在一起,就像一湖水,你扔木板、泡沫就會漂在水面上,扔鐵、磚頭就會沉入湖底,而地球的物質分布跟這個道理是一樣的,最輕的在最上面,最重的會沉降在最下方,這一切都是引力在起作用。

我們可以想像一個與今天所看到的地球截然不同的星球:一個由內向外,從重元素到輕元素完美分層的同心圓星球,就像洋蔥一樣。宇宙中最巨大的恆星和這樣的結構非常近似,所以按照重元素沉降、輕元素上升地球也應該是一個完美的洋蔥,有微小的鈽核,外面包裹著厚厚的鈾殼,依次包裹錒、釷等等。

在某種程度上,地球並不完美,甚至也不接近最完美的分布,但地球每時每刻都在努力的往完美的方向發展。

在地球自轉的每一天,造成大約1微秒加速的大地震相當於從地球表面移動了大約100億噸的鈾到地心。當然,真正的地震涉及到更大數量物質更輕微的重新排列:通常是千萬億噸的物質以釐米的速度移動。

然而,每一次地震,地球都向理想的密度結構又邁進了一步!

那麼,地震的能量從何而來?

來自重力勢能!而重力勢能就儲存在地球自身的基本結構中!當地震發生時,地球輕微地重新安排它的質量來降低它的慣性矩,增加它的角速度,並把重力勢能轉化成了一些非常可怕和具有破壞性的動能!

隨著地球繼續降溫、收縮和散發熱量,這樣的重新安排是不可避免的。

對於地震和地球內部的複雜性關係,需要了解大量關於地質學的知識,但是對於地震的基本物理學,以及它們的能量從何而來?就像重新排列原子一樣簡單,讓重元素更靠近核心!

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  • 世上沒有永動機,為什麼地球能一直轉下去,它的能量來自哪裡?
    如果通俗一點的解釋,地球自轉的能量來自於星雲坍縮的引力勢能,如果要追根究底,這個動力來自宇宙誕生的那一刻,未來地球也不會永遠都轉下,它在逐漸消耗自己的角動量,未來可能會越來越慢!自轉的角動量來自於引力勢能大家都這樣解釋,這並沒有錯,因為誕生太陽系的那一片「雲彩」也誕生了地球,那片雲彩為何會坍縮?
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    可是因為這個就有人提出如果不存在永動機,那為什麼地球一直在自轉?能量來自於哪裡?但其實地球自轉並不是一種永動現象,而是和太陽系有關,準確的說地球自轉是一種慣性。是太陽系形成之初的力量一直讓地球在形成自轉,由於力量太過強大,導致了地球一直到現在,甚至在以後很長的時間內都會進行自轉。