问题

如果把地球一端的土全部全部挖到另一端,地球会因此改变形状嘛?

回答
想象一下,我们真的是用铲子,一点一点地挖着地球的土壤。这可不是开玩笑,而是要把地球这一边的土,全部搬到另一边去。

首先,咱们得想清楚,地球这边的“土”都包含哪些东西。它不仅仅是我们平时看到的地表泥土,还有更深层的岩石、沙砾,甚至是地下水和岩浆。当然,如果说的是“土”特指地表的土壤和沉积物,那规模就小很多,但即便如此,那也是一个天文数字。

咱们先不纠结于技术上的可行性,而是纯粹从物理学的角度来聊聊。如果真有这么一股神秘的力量,能把地球这一端的物质,瞬间或者以一个可控的速度,迁移到另一端。

首先,地球的形状会发生改变吗?

答案是:会,而且会相当明显。

为啥呢?我们得从几个关键点说起:

1. 质量的重新分布: 地球并非一个均匀的实心球体。它的质量分布是不均衡的。有高山,有深海,有厚厚的地壳,也有液态的地幔和金属地核。这些物质的分布决定了地球的形状,以及它的引力场。

如果我们把一端的物质(比如太平洋底下的沉积物、非洲大陆的土壤、喜马拉雅山脉的岩石)全部挖出来,然后堆积到另一端的太平洋中部或者南极大陆上。这就像你在玩橡皮泥,你把一边挤扁了,另一边就会鼓起来。

质量减少的一端: 原本有大量物质的一侧,会因为物质的移除而变得更“轻”。这会导致地壳在该处向下凹陷,或者说,如果地球能像一个弹性球一样,它会试图向内收缩。
质量增加的一端: 原本物质稀少的一侧,会因为物质的堆积而变得更“重”。这会给地壳带来巨大的压力,导致该处向下沉降,或者说,堆积的物质会自身重量而向下压实,形成一个巨大的凸起。

2. 引力场的变化: 地球的形状和它自身的引力密不可分。正是万有引力,将地球上的所有物质拉向地心,最终形成了我们熟悉的近似球体形状。

当物质被大规模转移后,地球的引力场会变得非常不均匀。

在物质被挖走的一端,那里的引力会减弱。
在物质堆积的一端,那里的引力会增强。

这种不均匀的引力场会进一步影响地球的形状。那些被堆积起来的物质,会受到自身和周围物质的引力影响。如果堆积的质量足够大,它可能会导致地壳出现新的应力,甚至可能引发地震。

3. 地球自转的影响: 地球一直在自转,这个自转也对地球的形状有影响。由于离心力的作用,地球在中部(赤道处)会稍微鼓一些,在两极会稍微扁一些,形成一个扁球体。

如果我们把大量的物质从一端转移到另一端,这实际上是改变了地球的“转动惯量”。转动惯量是一个物体抵抗其旋转状态改变的度量。

当质量被集中到某个区域,特别是如果这个区域离地球的自转轴不远,地球的整体转动惯量可能会发生变化。
根据角动量守恒定律(即一个封闭系统中,总角动量保持不变),如果转动惯量改变,地球的自转速度也可能会发生微小的变化。
这种速度变化,或者说质量分布的变化,会进一步影响地球的形状。例如,如果质量集中在赤道附近,离心力会更大,地球会更加鼓胀;如果质量集中在两极附近,离心力影响相对较小,形状可能会有细微调整。

4. 地壳的适应性与地质活动: 地球的地壳并非坚不可摧的岩石板。它是由许多巨大的板块组成的,这些板块一直在缓慢漂移。当一侧突然失去大量物质,另一侧又被大量物质压迫时,地壳会承受巨大的应力。

这很可能导致地壳出现剧烈的变形、断裂和错动,引发大规模的地震。
岩浆也可能因为压力的改变而涌出,发生火山喷发。
地幔的对流也可能因为质量分布的变化而受到影响,长此以往,可能会改变地球的内部动力学。

具体会变成什么样?

很难精确描述一个最终的形状,因为这涉及到太多的复杂因素:

挖走和堆积的精确位置: 是挖走赤道附近的,还是极地的?堆积在哪一端?是赤道还是两极?这都会影响结果。
转移的速度和过程: 是瞬间完成还是缓慢进行?这个过程的动态变化也很重要。
内部物质的流动: 地球内部的岩浆和地幔并非静止不动,它们也会受到质量分布变化的影响而流动,试图重新调整力的平衡。

总的来说,地球不会再是那个平滑的、近似扁球体的样子了。

会形成一个巨大的“坑”:在物质被挖走的那一端。
会形成一个巨大的“鼓包”:在物质被堆积的那一端。

这可能不是那种一览无余的、平滑的隆起或凹陷,而是会在地壳的应力作用下,形成各种巨大的山脉、裂谷,甚至可能改变大陆的分布和海洋的形状。地球的整体“球度”会受到影响,但更明显的是局部的、剧烈的变形。

试想一下,我们把一座山的重量堆积到一个小区域,那个区域的地面肯定会向下压实。同样,把一片大陆的地表土都挖走,那里的地壳也会因为失去压力而可能抬升或塌陷。

所以,如果真有这么一种“魔法”,把地球一端的土全部挖到另一端,那我们熟悉的那个蓝色星球,会变得面目全非,充满着巨大的、不规则的隆起和凹陷,而且会伴随着史无前例的地质灾难。这可比地球因为自转造成的扁平化效应要剧烈得多,也混乱得多。

网友意见

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值得考虑的问题。首先要考虑地球上有多少“土”。

我查了一下,说法各不相同。百度百科说的是:

土壤圈的平均厚度为5米,面积约为1.3×10的8次方平方公里,相当于陆地总面积减去高山、冰川和地面水所占有的面积。

这一点得到了中国农大考研资料的验证:

中国农业大学《土壤学》考研重点

而另一个土壤化学的教学PPT则宣称:

在地球表面1.5亿平方公里的陆地中,农耕田、草地和林田分别占9%、21%和27%……土壤的平均厚度约2米。

又看了一篇科普文:

土壤这层地球的皮肤有多厚? | 地球的皮肤

事实上,土壤厚度在各个地方各有所不同,在平原地区黄土层较厚,在高山地区无黄土层,仅为岩石层,一般说,黄土高原黄土层最厚,估计有上千米,要是耕种的土层,不超过0.5米。

很显然,这里土壤、土、可耕作土壤的定义在互相穿插混淆。为了充分讨论这个问题,我决定取一个高值,认定1.5亿平方公里陆地上全是土壤,平均厚度10米,即0.01公里。这样就是总共150万立方公里的土。注意是立方公里……

然后我再粗糙地假设,全部土都分布在地球一侧。毕竟土分布在陆地上,而地球是有“陆半球”和“海半球”之分的。海半球里的南极大陆又没有我们通常意义上的“土”。

最极端的海陆分布:

所以,问题可以简化为,把150万立方公里的土扔到地球另一端,地球会因此产生什么变化?

当然还有个土壤密度问题。一般破碎的岩屑密度是2.7左右,土壤大多分布在地球表层,松散一些,估算为2.3-2.5吧,乘以150万立方公里。质量上相当于350万立方公里的水,等于七八个黑海,或者说大半个南海的水。你问我这么多质量扔到地球另一侧会怎么样?

首先肯定不会说被重力简单地重新摊到两个半球——只是陆地表面削下10米而已,陆地平均海拔800米呢,都没有被重力完全压下来,起码以百万年的尺度不会。

其次呢,地球总体上是个弹性体,在宇宙中又没有外在约束,这么大质量的重新调整,肯定会有所改变——上比这小得多的的调整就有影响了。

长江三峡水利工程对地球的影响

在过去的四十年里,全世界大大小小的水库把大约十万亿吨的水围起来,致使水的流量和水的分布发生变化;另一方面,水库大都远离赤道,且又靠近地球的旋转轴心,其结果是:使地球每天的旋转速度加快了百万分之八秒。而且,水库不仅改变了地球的旋转速度,它还使地球的轴心向后倾斜,而且倾斜的角度很大,这一现象叫做“两极运动”。原因是水转移到了南北半球的中纬度水库中去,同赤道相比,这些纬度上的水量增加了。实际上,更多的水更加接近地轴。地轴由于88座水库储存的水的重量的关系而在微微倾斜,而且这颗行星的引力场的形状发生了变化。据测算,水库对两极运动的影响非常大,它已使旋转轴心或北极向西半球倾斜多达0.5°。而三峡大坝总库容393亿立方米,其中防洪库容221.5亿立方米(40立方千米),是世界上第22大水库,据美国国家地理统计,三峡对地球自转造成的影响将近1英尺(约合30.48厘米)。

地轴倾斜的改变最直接的影响就是使得地球一天的时间改变。由于水库的蓄水导致了地球上水的位置改变。而水又是很重的,水的位置分布的改变导致地球重量分布改变了,地球的转速由此改变。三峡使地轴偏转10.8毫弧秒,从而让人类一天的时间增加0.06微秒,尽管改变微乎其微,但这个改变是永久性的。而且,地球自转轴线偏移对地球引力场可能也会带来影响。

我之前做过类似的回答:

如果地球上海洋突然被抽空,海底会出现什么情况? - 知乎

比如在约2万年前,地球的最后一次冰期结束时,冰川撤退,大地在失去了冰川的质量后发生反弹,使地球的形状变得更圆。据估算,那时地球赤道曾以每年不到1毫米的速度回缩,地球重力场也因此发生了相应的变化。


研究表明地壳上升有两个不同阶段。冰消后最初的上升是快速的(或者说是弹性的)。弹性阶段后,地壳上升是缓慢黏滞的,上升速度呈指数下降直到趋于0。现在,典型上升速率是1 cm每年的数量级或者更小。在北欧,这被GPS数据观测网BIFROST所证实[19]。研究认为地壳反弹还会再持续10,000年。整个地壳反弹取决于冰期时的当地冰盖重量,在冰盖中心可能是几百

当然你这里的设定比全部海洋被抽空小得多,但我相信,这个调整也会立刻引发一系列地震和火山,毕竟地壳很少受到这种瞬间冲击。这个冲击和随之而来的变化对地球自身就当是走路踩到一粒沙子,对人类来说……就算不考虑农业完蛋,也得死个三分之一意思意思吧。


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