问题

为何地球上没有超过1万米的山峰?

回答
这个问题很有意思,也触及了地球构造和物理学的根基。为什么我们看不到像科幻小说里那种高耸入云,超过一万米的山峰?这背后其实是一系列相互关联的自然规律在起作用。咱们掰开了揉碎了说一说。

1. 地壳的承受能力:重力的束缚

最直观的原因就是重力。地球的质量很大,所以它对地表的一切物体都施加着强大的吸引力。山峰越高,它自身堆积的岩石质量就越大,向下的引力也就越强。这就好比你用积木搭一个非常高的塔,越高,底部的积木承受的压力就越大,最终会不堪重负而垮塌。

地球的地壳虽然看起来坚硬,但也不是无限坚固的。岩石在巨大的压力下,也会发生塑性变形甚至断裂。随着山体高度的增加,底部岩石承受的压力会呈指数级增长。一旦超过地壳材料的承受极限,山体就会因为自身重力而“压垮”自己,发生大规模的滑坡、坍塌,将高度限制在一个相对的范围内。

想象一下,如果一座山真的垒到了两万米高,那它底部承受的压力简直是难以想象的,比我们现在见过的任何山峰的底部压力都要大得多。那里的岩石早已不是我们触碰到的那种状态了。

2. 板块构造与造山运动的“平衡”

我们知道,地球的表面并非完整一块,而是由许多巨大的岩石板块组成的,这些板块在缓慢地移动。山峰的形成,很大程度上是由于这些板块之间的碰撞、挤压和俯冲等过程。当两个大陆板块碰撞时,地壳会被褶皱、隆起,形成高大的山脉,比如喜马拉雅山脉就是印度板块和欧亚板块碰撞的产物。

但是,造山运动本身也是一个需要能量的过程,而且它会受到地壳弹性和强度的制约。当板块碰撞导致地壳隆起时,这个过程就像是把一块巨大的橡皮泥往上推。橡皮泥推得越高,越容易因为自身的重力而向下塌陷,同时内部的应力也会不断累积和释放。

而且,即使是板块碰撞能够将地壳推高到一定程度,地壳内部的应力也会逐渐达到一个临界点。当应力超过岩石的强度时,就会发生地震,释放能量,同时也伴随着地表的变形和崩塌,这也会限制山峰的最终高度。

3. 侵蚀作用:自然的“削峰行动”

即使我们假设某种神奇的力量能够瞬间堆砌起一座万米高山,自然界也还有其他强大的力量来“纠正”这种“不平衡”。侵蚀作用,包括风化、流水、冰川等等,是地球表面最重要的改造力量之一。

风会吹走细小的岩石颗粒,流水会侵蚀岩石,将其带向下游,冰川的移动更是能像巨大的推土机一样削平山峰。任何高耸的山体,都时刻面临着被侵蚀的威胁。高海拔地区往往更寒冷、风力更强,侵蚀作用也可能更加剧烈。

所以,山峰的高度,是造山运动形成的“推力”和侵蚀作用形成的“拉力”之间长期博弈的结果。通常情况下,侵蚀的速度能够有效地“追赶”上造山的速度,使得山峰的高度很难持续地突破某个阈值。

4. 地壳均衡(Isostasy):“浮力”的限制

还有一个重要的概念叫做“地壳均衡”。我们可以把地壳想象成漂浮在更炽热、更具延展性的地幔之上的木块。地壳的厚度和密度不同,就像不同重量的木块一样,它们会沉入地幔的深度也不同。较厚或密度较低的地壳部分会更“高”地漂浮在地幔之上,形成高山。

然而,这种“漂浮”是有极限的。如果一座山堆积得太高,它的底部就会因为地壳的重量而下沉到地幔中更深的地方,就像你往一个漂浮的物体上堆越多东西,它会下得越深一样。这种下沉会“拉扯”着地壳,试图将过高的山体“压平”,以达到一种力学上的平衡状态。这个过程叫做“地壳均衡”。

因此,即使造山运动暂时将地壳推得很高,地壳均衡也会发挥作用,让过高的山体逐渐下沉,从而限制其整体的高度。

5. 地球的“皮肤”并非无限厚

从另一个角度来看,地球的地壳虽然看起来很厚,但相对于地球的整体半径而言,它仍然是一个相对薄的“外壳”。而且,地壳的组成并不是均一的,它存在着厚度的变化和强度的差异。

我们现在所知的最高山峰,比如珠穆朗玛峰(约8848.86米),已经是地质作用长期累积的极致表现。即使是喜马拉雅山脉,虽然高耸入云,但它的底部也深埋在地壳之中,并且是板块碰撞挤压形成的巨大褶皱体。

如果我们要想突破一万米的高度,需要的不仅仅是简单的堆积,而是需要一种能够克服重力、侵蚀以及地壳自身强度限制的、前所未有的地质构造过程。地球的动力学机制,似乎并没有倾向于形成如此“离谱”的高度。

总结一下,为什么没有超过一万米的山峰?

重力: 高山自身重量造成的巨大压力会使其底部结构不堪重负而崩塌。
岩石强度: 地壳岩石的承受能力是有限的,超过一定高度,岩石就会变形或断裂。
板块构造: 虽然板块碰撞形成高山,但这个过程受地壳弹性和强度的制约,并且伴随应力累积和释放。
侵蚀作用: 风、水、冰等自然力量会持续不断地削弱和破坏高耸的山体。
地壳均衡: 过高的山体在重力作用下会使地壳下沉,试图达到平衡状态。

所有这些因素相互作用,共同决定了地球上山峰的最终高度。我们所见的山峰,是各种地质力量在漫长时间里“拉锯战”的结果,而一万米,似乎就是地球当前地质条件下,一个非常接近“极限”的高度了。或许在遥远的未来,随着地球动力学变化,情况会有所不同,但就目前而言,它就是这样。

网友意见

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请自行查阅流体静力平衡相关概念。

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山的高度是由岩石的强度和地球引力两个因素决定的。

一个星球的质量越大星球的表面越平坦,中子星的表面平坦得高出几个原子都不可能。

但小质量固态星球并不就一定有更高的山,这与表面的地质构造有关。

地球的质量决定了地球上的山不可能高于1万米,另外地球表面受到风化的影响也会使高度不可能太高。

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此前回答过类似的问题:本质是由于山体自重与高度的3次方程成正比,而山底底面积与高度的2次方成正比。

随着山的增高,山体的重力增长大于底面抗压能力的增长。山不断增高时,总有一个高度会把自己的底部压垮。美国地球物理学家 Melosh H J. 在其书《Planetary surface processes(占击查看原书电子版)》(Cambridge University Press, 2011)的第三章也指出:the ultimate extremes of altitude on a planet's surface are regulated by the antagonism between the strength of its surface materials and its gravitational field.

简单起件,我们将山体简化为圆柱,则山体的自重为

其中 为岩石密度, 为山高, 为山的底面积。则山底承受的压强为

岩石的弹性极限一般不会超过 ,当岩石受压超过这个值时,岩石就会产生塑性变形。因此,最高的山底面承受的压强不应超过这个值:

即地球上的山高度不应超过 10 km,而实际上地球上的最高的珠穆朗玛峰只有 8.8 km,因此模型足够说明问题。从上式也可以看出,山的极限高度与重力加速度成反比,火星表面的重力加速度是地球的1/3。理论上,火星表面的山体高度可达 30 km。而火星表面最高的奥林匹斯山(高出火星基准面 21 km)也确实小于 30 km。

同样的道理,陆地动物的高度也是有限制的。肌肉与骨骼强度正比于其横截面积,也就是与尺寸的二次方呈正比。而其体重随着尺寸的三次方增加。因此随着动物体积的不断增大,骨骼将有可能无法支撑起它的体重。

以上模型严格来讲并不正确,影响山体高度的因素很多。但我希望我的回答中学生(甚至小学生)也能理解:山的高度有极限、大楼很难建得更高、大型生物比较脆弱等现象的背后,无法承受自重(自身的重力)是其中一个很重要原因。至于如此简单的模型算出的数值恰好也是一万米,可能只是数值上的巧合。

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地球上100%被气体覆盖,70%被液体覆盖,30%被固体覆盖,流体力学懂伐?老结棍哦,结棍得来想挡脓挡伐日。

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先问是不是。二叠纪-三叠纪的盘古中央山脉的制高点或许有超过 12000 米的海拔高度,影响因素之一是那时地球平均气温较高,冰川侵蚀比现在弱。

以地球的质量、地球岩石的强度、板块厚度等指标,物理性质对地球上的山的高度限制是约 3 万米。现实中地球的板块运动似乎没有偶然撞出接近 3 万米的高山,这是个运气问题。

简单的计算过程引自约翰·D·巴罗和法兰克·迪普勒的《人择宇宙学原理》:

关注“从山脚到山顶的高度”的话,根据美国地质调查局的数据,从山脚算起,冒纳凯阿火山[1]的总高度为 10211 米。这是现在进行时地超过 1 万米的。

  • 由于下部约六千米被海水淹没,冒纳凯阿火山的海拔高度被视为 4205 米。谈火星上的山这样高那样高的时候,别忘了火星上的山峰高度是在没有地表水的状态下测定的。
  • 使用同样的标准,灶神星雷亚希尔维亚盆地中心突出的小行星撞击遗迹似乎比周围高约 22000 米到 25000 米,这会超越火星奥林帕斯山的 21229 米。

截止 2022 年 1 月 19 日,当代地球固体表面最远离地心的位置在厄瓜多尔的钦博拉索山顶,其到地心的距离比地球平均半径长约 13100 米

  • 根据 WGS 84,地球的极半径约 6356.7523 千米,赤道半径约 6378.1370 千米,平均半径约 6371.0088 千米。
  • 目前,钦博拉索山顶距离地心约 6384.1 千米,珠穆朗玛峰顶距离地心约 6381.95 千米。
  • 你平时很少见到有人谈钦博拉索山的真实高度,是因为地球本身的形状不均匀,钦博拉索山周围的大地较为突出,海平面也比较高,其海拔高度被视为 6268 米。当有人用地球的材料性质和质量来说事的时候,地球的形状就不能忽略了。


你可以看出,声称“地球有这样那样的情况所以不能有超过 1 万米的山峰”的人们是“先射箭后画靶”的。

本来,这不需要参考文献,上面谈到的全是太阳系内真实存在的物体,你可以自己去测量。不过,鉴于测量设备不普及,可以看看:

What is the highest point on Earth as measured from Earth's center?

参考

  1. ^ 夏威夷语 Mauna Kea,意为“白山”

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