地球作为一颗石质行星(相对于木星、土星等气态行星),它冷却的慢有这么几个原因:
散热方式
从地球内部到地面的总热量流量的估计为43至49太瓦(TW)(1太瓦特为10^12瓦)。最近的估计是47 TW,相当于91.6 mW/m^2的平均热通量,这个估算是基于超过38000次测量而得出的。虽然总量巨大,但单位面积的地热功率还是很小的,而人在静息状况下的热功率都达到近300W。
上图:地球内主要的热传输机制——地球的横截面显示了其主要层次划分及其对地球全部流向地表的内部热的大致贡献。
而对于悬浮在太空中的行星来说,其散热的方式只有一种,那就是热辐射,因为无法通过对流蒸发等方式快速散热,所以以长波红外辐射的形式将热量从地表辐射向外太空当中就是唯一的途径。但这些长波红外辐射中的一部分将会被大气截留,尤其是被云层和温室气体,所以辐射出去的部分并不多。地球目前的温度相对平衡,就说明这种辐射的量与地球接受到的热量以及地热的热量达到了某种平衡,否则要么地球的地表温度会不断上升或者不断下降。因此,这种散热方式的效率对于地壳下的岩浆来说是微乎其微的。就算所有的地热都散发出去,也不过只有91.6 毫瓦/每平米。而这还没有算地球每天从太阳吸收的热量(想想三伏天的情景),虽然太阳的热能对于保持地球内部“体温”来说没有什么实际的帮助。
上图:全球的长波辐射分布(1985年4月),单位瓦/平米。
表面积与体积的比
行星越大散热就越慢,这是由于表面积随着体积增大,与体积的比例越来越小(一个二次方与三次方的比),这跟动物体型越大就越能抗寒的道理一样。相比火星来说,地球就大得多了。火星的质量是地球的10.7%,体积是地球的15.1%,所以火星这几十亿年来内部的热已经散完了,成了一颗死星,地下基本没有岩浆活动了。而地球和金星质量和体积差不多,因而内部岩浆活动也仍然十分活跃。
内部液态物质的对流强度
因为地球内部的岩浆主要由硅铁质构成,而地核甚至基本上是铁镍质的。这些物质的密度大,流动性比气态行星内部那些冷凝的低密度元素构成的液体物质的流动性差多了,因此对流并不算强烈,几十亿年来对地核的散热效率相对较低。所以地球和金星都保持着一颗火红的芯。
上图:地球内部对流与地表的地理相互作用,似乎这种对流是十分受限的,而且是在极深的地下才比较活跃。地幔并不像我们想象的那样是岩浆的海洋。
上图:地球地下对流3D模拟模型,似乎地球内部向地表的对流只发生在某些柱子上,大部分液态的岩浆的对流被限制在很深的地下。
内部核反应释放的热量
地球的内热也不只是吃老本(地球的太初热量),地球地幔和地壳中元素的放射性衰变导会释放中微子和热能(放射性热)。有四种放射性同位素是造成大部分放射性热的原因,因为它们相对于其他放射性同位素丰度更高,分别是:铀-238,铀-235,钍-232和钾-40。据估计仅钾-40就贡献了40太瓦的地热功率。甚至在地表也能发现天然的核裂变反应堆。
上图:一处浅表的天然核反应堆遗迹
总结
所有上面的因素共同造成了地球散热缓慢的条件,因此地球能够保持青春到如今,否则就会像火星一样死气沉沉。