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地震后地球自转为何会加快?它释放的能量来自哪里?

2020-01-01  一飞图书馆

2019-12-31

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我们能在地球上繁衍生息,建设美丽的家园,这完全得益于地球气候和地质的稳定性,但时而发生的地震会给我们人类建造的设施造成严重的破坏。地震使地面振动和开裂,建筑物摇晃,甚至会造成灾难性的海啸。简而言之,地震发生在错误的地方将会造成巨大的经济损失,和人员伤亡。

我们都知道,地震是地球板块运动的结果,但刨根揭底问:地震的能量来自哪里?

除了地球,其他天体也会地震

在太阳系中,地球并不是唯一一个有地质活动的星球,会自发地产生震动。其他的行星如金星也有地震,月球也有,甚至像太阳这样的恒星也有地震!那地震之所以如此神秘和让人恐惧的原因是,它的无法预测性和强大的破坏能力。我现在能准确地预测天气预报,是因为我们可以把卫星放在天上俯视整个地球的大气活动,但我们无法钻到地底下去看地球,这是地震无法预测的主要原因。

但这并不代表我们对它的成因和能量的来源不了解。

发生在星球上的所有地震都会释放出大量的能量;太阳表面的地震释放出的能量是1906年旧金山地震的4万多倍,这是有记录以来破坏性最大的地震之一。但我们平时没有意识到的是,所有的能量必须来自某个地方,而简单的解释:地震时因为构造板块碰撞,根本行不通。

通常板块构造可以告诉我们地震最可能在哪里发生,地球物理学可以告诉我们引起这些地震的不同类型的断层,但这些都不能告诉我们地震的能量来自哪里。

地震后,地球的自转后期会发生微小的改变

不管是在电视还是在生活中,我们经常会看到滑冰运动员的旋转动作,收紧双臂时的旋转速度明显快于张开双臂时的旋转速度。

在我们的物理宇宙中有几个量是基本守恒的,其中一个就是角动量守恒。角动量,通俗地说,是系统的旋转速度(称为角速度)和系统质量如何分布(称为惯性矩)的乘积。当运动员把手臂收回来时,她的惯性矩就减小了,因此为了保持角动量守恒,其旋转速度就需要增加!

那么,现在猜一猜,地球在每一次发生可测量的地震后,会发生什么变化?

每次地震后,地球一天的转动周期就会缩短一点点。例如,2011年日本地震(包括余震)将一天缩短了1.8微秒,2010年智利地震将一天缩短了1.26微秒,2004年苏门答腊地震将一天缩短了6.8微秒!

当然,地震造成的这些都是很小的数字,而我们每年因为月球-地球-太阳系统的潮汐摩擦力而地球的一天会增加14微秒,但地震造成的微小变化还是可以测量的。由于角动量是守恒的,而地球的角速度是变化的,这就告诉我们,每一次地震后,地球的惯性矩也会改变。

为什么会发生地震

但是地球的惯性矩变化不像是运动员张开双臂的时候,地球没有足够的能源来引起这种形态的改变,这是在膨胀。地球的能量只有一个来源:重力势能!众所周知,地球是由周期表中所有稳定和准稳定的元素组成的,包括从1(氢)到94(钚)的所有元素,不包括三种不稳定元素。

我们知道组成地球所有的元素不是均匀的搅在一起,就像一湖水,你扔木板、泡沫就会漂在水面上,扔铁、砖头就会沉入湖底,而地球的物质分布跟这个道理是一样的,最轻的在最上面,最重的会沉降在最下方,这一切都是引力在起作用。

我们可以想象一个与今天所看到的地球截然不同的星球:一个由内向外,从重元素到轻元素完美分层的同心圆星球,就像洋葱一样。宇宙中最巨大的恒星和这样的结构非常近似,所以按照重元素沉降、轻元素上升地球也应该是一个完美的洋葱,有微小的钚核,外面包裹着厚厚的铀壳,依次包裹锕、钍等等。

在某种程度上,地球并不完美,甚至也不接近最完美的分布,但地球每时每刻都在努力的往完美的方向发展。

在地球自转的每一天,造成大约1微秒加速的大地震相当于从地球表面移动了大约100亿吨的铀到地心。当然,真正的地震涉及到更大数量物质更轻微的重新排列:通常是千万亿吨的物质以厘米的速度移动。

然而,每一次地震,地球都向理想的密度结构又迈进了一步!

那么,地震的能量从何而来?

来自重力势能!而重力势能就储存在地球自身的基本结构中!当地震发生时,地球轻微地重新安排它的质量来降低它的惯性矩,增加它的角速度,并把重力势能转化成了一些非常可怕和具有破坏性的动能!

随着地球继续降温、收缩和散发热量,这样的重新安排是不可避免的。

对于地震和地球内部的复杂性关系,需要了解大量关于地质学的知识,但是对于地震的基本物理学,以及它们的能量从何而来?就像重新排列原子一样简单,让重元素更靠近核心!

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