互动科普

板块运动因冷却地球的“对流”而起

为了说明和解释为什么地震和火山活动总会在一些特定的地方发生，以及大陆移动、山脉形成等大地活动现象的成因，20世纪60年代后期，“板块构造学说”诞生了。这一学说认为地球表面覆盖着数个“板块”，这些板块在一个柔软的层面（软流层）上漂浮移动。那么促使这些板块漂移的原动力究竟是什么呢？

固体地幔运动使得热能外逸

20世纪80年代之后，随着使用地震波“透视”地球内部的“断层摄影”（地层CT）技术的发展，科学家探明了地幔（占地球体积80%以上的岩层）深处存在炽热的上升流，同时还有从地表开始下沉的下降流。这说明地幔中存在着使地球内部热能外逸的“对流”运动。

一般来说，热的物质密度小且较轻，而较冷的物质则密度大且重，所以空气、水等较易流动的物质（流体）只要有温差，就会产生温度高的部分上升、温度低的部分下降的现象。这种会产生上升流和下降流的现象被称为“对流”。在温差不大的情况下，热量会在流体中转移，而流体本身不会流动。但是一旦温差足够大，流体自身就会产生对流现象，并且加速传递热量。

地球内部的温度最高可达6000℃，而地表温度却要被冷却到与气温、海水水温相同的程度，由此地幔内部产生了对流，随着这种对流运动，地球内部的热量被带到了外界。现在，从地表释放出的热能功率估计有42兆瓦之多。而使地球冷却的对流运动在地表上的表现形式则是板块的移动。一旦地球内部被冷却，板块运动将不复存在。

现在的地幔结构基本上是固体岩石，它的运动模式和固体物质类似，一旦被施以像地震时那样巨大的应力，就会像固体那样整块地断裂。但是因为地幔一直处在高温高压的环境下，所以从相当长的时间尺度看，它的活动模式则应更接近软流体，即会产生对流运动。因为这种运动的速度本来就极缓，所以转换成板块运动速度的话，大致约为每年运动10厘米左右。

图：铁锅里的对流

铁锅底部的水被加热，体积膨胀后密度变小变轻，于是开始上升，而位于表面的冷水因为密度比热水大，所以开始下沉，并会将下面的热水推到上面去。

（本文发表于《科学世界》2012年第6期）