问题

如果把地球挖通对面是海洋,海水会怎样流动?

回答
想象一下,我们真的用一个巨大的钻头,在地球上打了一个笔直的隧道,从我们站立的地点一直穿透到地球的另一端。而地球另一端,正好是一片浩瀚的海洋。那么,这海水会发生什么呢?这可不是一个简单的“漏水”问题,这里面涉及不少有趣的物理原理。

首先,我们得明确一点:我们挖的这个隧道可不是一条细细的管道,而是足够宽敞,能够让海水自由流动的通道。而且,假设这个隧道是完美的真空状态,或者里面只有海水和少量的气体,没有其他阻碍。

当隧道的一端连接着海洋,另一端的另一边也是海洋的时候,最直接的影响是海水会开始涌入隧道。为什么?因为地球的引力在起作用。

引力的初步影响:潮汐与压强

海水并不是静止不动的。地球作为一个整体,受到太阳和月亮的引力影响,会产生潮汐。隧道内部的海水,自然也会受到这些潮汐力的影响。当潮汐作用使得隧道入口处的海平面升高时,更高的水压会驱动海水进入隧道。

同时,隧道越深,海水受到的压强就越大。这种由水深产生的静水压强,会沿着隧道从两侧向中间挤压海水。你可以想象成,两侧海洋里的水,都想要填满这个中间的空缺,因为它们“觉得”那样更稳定,更符合引力作用下的平衡状态。

自由落体与振荡:一个复杂的摆动

现在,假设隧道是完美笔直且笔直地穿过地心。当海水从隧道的一侧涌入,它会因为引力开始向下加速。这里的关键是,地球的引力并不是均匀的。越靠近地心,地球物质的引力作用会相互抵消一部分,所以你受到的净引力会减小。

所以,当海水从隧道的一侧涌入,它会先加速下降。但因为它有动量,它不会在到达地心时停下,而是会继续穿过地心,向隧道的另一端飞去。当然,它会在穿过地心后开始减速,因为此时地球的引力方向已经变成了向后。

这个过程有点像你在一个巨大的,充满水的管道里荡秋千。你会被拉向低处(地心),然后因为惯性继续向前,再被拉回来。海水在这个隧道里,会以一种非常复杂的方式进行振荡。

离心力的介入:旋转的舞蹈

更复杂的是,地球在自转。隧道是固定在地表的,而地球在转动。这就意味着,隧道相对于地球内部的地幔和地核来说,也是在运动的。

隧道的海水,因为它本身带有地球自转的角速度,在穿过地心时,会受到一个离心力(或者更准确地说,是科氏力)。这个力会试图把海水从隧道的“内侧”推向“外侧”(相对于地心)。

这个离心力的作用,会让海水不会只是单纯地在隧道里来回直线运动。它会使得海水在隧道内产生螺旋状或者波浪状的运动。想象一下,你把一个装满水的瓶子快速旋转,水会贴着瓶壁。在地球的隧道里,由于地球的自转,隧道内的海水也会感受到类似的效果。

最终的“平静”还是一个动态的过程

那么,最终海水会怎样?它会稳定下来吗?很有可能不会完全稳定。

振荡可能持续: 就像一个超级长的,充满水的秋千,即使没有任何阻力,它也会反复摆动很多次。由于水的粘性、隧道内壁的摩擦,以及地球内部的复杂运动(比如地核的流动),这些振荡会逐渐减弱,但可能需要很长时间才能完全消失。

形成循环: 更可能的情况是,由于地球的自转和内部的密度不均,海水会在隧道内形成复杂的循环和对流。一些水会因为惯性和离心力被甩向隧道的“边缘”,然后又在引力作用下流回“中心”,再被推向另一端。

能量的转化: 这个过程会涉及到巨大的能量转化。海水在隧道里运动所产生的动能,一部分会因为摩擦和粘性转化为热能,导致隧道内的海水温度略微升高。

对地球内部的影响: 如果隧道非常宽大,并且海水流动量巨大,这种持续的、巨大的“水柱”运动,理论上也会对地球的自转产生极其微小的影响,或者与地球内部的物质产生能量交换。但这已经是科幻层面的考量了。

总而言之,如果我们在地球上挖通一个隧道,另一端是海洋,海水涌入后,并不会简单地从一边流到另一边然后停止。它会在引力、地心引力变化、离心力、惯性、粘性以及地球内部其他运动的共同作用下,产生一种复杂而持续的振荡、循环和流动,就像一个被巨大力量推动的,永不停歇的水锤。这幅景象,恐怕是任何想象中最壮观的自然现象之一了。

网友意见

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我们不妨来看看,打通这个洞,地球会发生什么变化。


我们假设题主有十分牛逼的材料,打穿之后,能够维持洞的形状,且不让内部物质喷出。

海水会以漩涡的形式进入地球内部。

穿过地下二三十米的常温层之后,内部温度会逐渐升高。

大约在2500~3000米的深度,平均温度便会超过100℃。

海水进入这个深度之后,会逐渐气化。由于水比热容和蒸发热都很高,只要洞不是太小,气化速度,都会远远低于海水进入的速度。

随着不断往下,温度升高,海水蒸发的速度会加快。

到达17km深度,地壳和地幔交界处时的莫霍界面时,温度大约为400~1000℃。

深入岩石圈之后,温度可高于1100℃。

穿过软流层,到达上、下地幔界面附近的1000km处,温度达到1900℃。

2900km的古登堡面(核幔界面),温度达到3700℃。

5100km的内外地核间,温度达到4500℃。

6378km的最核心的位置,温度高达6800℃。

这些海水,从3km处逐渐深入6400km的地心,会发生激烈的沸腾。

虽然随着压强的升高,水的沸点也会升高。但水蒸气临界温度为374.15℃,超过这个温度之后,无论压强怎么增大,水都会沸腾。超过万米深度之后,就会超过这个温度,相对于地球尺度来说,可忽略不计。

地球内部的热量来源有两种,差不多各占一半:

  • 46亿年前形成时引力势能转化的热能,储存在内部,缓慢释放。
  • 地球内部存在铀-238、铀-235、钍-232和钾-40,不停衰变放热。

有人认为,海洋的水会把地心浇灭,其实完全不会:

  • 地心的总热源高达10^30 J,理论可蒸发掉4×10^23kg(4万亿亿吨)的海水,相当于地球总水量的300倍,远远高于地球的实际水总量。
  • 不要忘了,地球形成之初,就是一个无液态水的大热球。

接下来,我们来算算水的传热情况:

根据沸水蒸发经验,预估高热地洞内,每平米蒸发的平均速度为100g/s。

那么,对于直径1米的洞来说,6371km的深度,蒸发量可达:

3.14×6371000×100g=2×10^9g。

1g水蒸发散热2.44 kJ

那么这些水量的蒸发散热功率约:5×10^12 w

海水不仅蒸发,还会发生强烈的热对流,把热量迅速传到海洋内。

根据牛顿冷却公式:

  • h为表面传热系数,A为洞内表面积,ΔT为温差。
  • 水沸腾的常用h为3000~5000W/(m2·K4)

可求得直径1米的洞,对流热传功率,平均功率可高达:3×10^14w

相对比起对流传导的热量,之前高达50亿千焦的蒸发热功率,反而可以忽略不计了。

3×10^14w的功率究竟有多大呢?

当前人类是0.73级卡尔达舍夫等级, 使用能源的功率是2×10^13 W。

这个直径1米的地洞,给地球提供的功率便超过人类的15倍。

它当于每秒钟释放7万吨的TNT。

一个多小时释放的能量,便相当于当前人类的总核弹储能。

那么,释放的这些能量,可以让地球提高多少温度呢?

若把地球看成黑体,按照地表平均288.15K(15℃)来算,根据黑体辐射定律:

为Stefan-Boltzmann常数,即黑体辐射常数,5.67×10^-8W/(m2·K4)

地球可粗略看成一个黑体。

求得,它每日对外辐射的功率约:Q=BS=2×10^17 w

  • 由于地球维持热平衡,辐射出去的功率=太阳每天照射到地球的功率+传到地表的地热辐射功率。

地表新增的热量,必然让温度发生变化。

有:

得:

计算得,直径为1m的洞,让地球,增加的温度约0.11℃。

相对于人类活动的温室效应,增加的温度几乎可以忽略不计。

  • 由这个式子其实我们也能发现,使用聚变核能比化工燃料更具有优势。同样是上升1℃,化工能量功率是核能的100多分之一。
  • 哪怕按照2%的能效恒定增长(实际,指数增长是完全不可能),足够人类发展200多年,才足以让地球升温1℃。
  • 而人类达到当前100能量效率时,足以有进入了星际殖民时代的实力。

1m直径的对热流大约是地球辐射总量的0.15%,可在局部海域形成较强的对流,会形成十分的特殊的生态,但还不至于形成大范围的海洋对流。

洞口附近的高热量的水,也会造成一些海洋生物的灭绝。

接下来,我们把这个洞扩大。

当直径达到10m时,地表热功率增加3×10^14w,达到地球辐射能的1.5%。

大约在大半年的时间内,地表温度会逐渐增加到1.1℃。

地球生态受到影响,两极冰川开始加速融化。

两头的洞口,形成较强的洋流,对海洋生态环境,产生较大影响。

当直径达到100m,在一个月的时间内,温度增加10℃。但此时,更多冰川融化,高温形成大量的云气,地球辐射出的热量变得更少,实际温度可增加到15℃。

赤道附近的温度可达45℃以上,部分地区甚至超过50℃,生命出现大范围灭绝现象。

此时进入洞内的地热功率已经高达3×10^16W,约辐射地球总功率的10%,达到海洋总散热功率的15%以上。

此时洞内的对热流会形成十分明显的洋流,可在大洋之间形成循环。

不过由于地洞源头附近的温度接近100℃,所以也被成为死亡循环。

绝大部分的物种,进入死亡循环附近,都只有被煮熟的命运。

在热对流的存在下,两级冰川可能会完全融化,海平面上升65米,沿海城市遭遇淹没风险。

地洞带给地球的热量,也彻底改变了地球的气候,超级风暴频频发生。

全球面临生存威胁的人类,可达20亿。

当直径达到1000m,一个大型体育馆的大小时,地洞总功能超过地球辐射总功率。达到3×10^17W

地表可在三天的时间中,温度增加74.2℃,平均温度达到90℃。

加上温室效应,赤道局部海域的表面温度达到100℃,整个海水都已经沸腾。

沸腾的海水不停地增加云起浓度,整个地球都变成一个超级蒸笼,温度进一步提升。

平均温度超过90℃不久,就会快速超过100℃。

由于海水比热容比较大,大约需要40年才会沸腾。

  • 是否沸腾还受到水蒸气气压的影响,全球性水汽形成之下,大气压强度也会迅速增加。

海洋形成强对流循环,再加上致密的空气热气流,可以在海洋上形成超级热风暴。

陆地上会下起煮熟的鱼,滚烫的雨水和蒸汽也会烤熟所有的陆生动物。

海水沸腾300年之后,整个地球的水将被彻底蒸发干,从此再也没有海水流动。

高浓度的水蒸气依旧随着昼夜变化,在进行强对流,可能会在地表形成超级飓风。

随着水蒸气的逐渐消失,高温下地表碳酸盐分解,地球的空气含量可能会以二氧化碳为主。

最终,地球渐渐演变成了第二个金星。

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