如何用通俗的语言解释《流浪地球》中推动地球的可能性?
用通俗的语言解释《流浪地球》中推动地球的可能性,基本所有计算模型当中都忽略了月球,这意味着不带月球流浪,那么,要先在月球上建立行星发动机,把月球推离地球轨道,放飞月球。考虑到工程难度,还是带着月球流浪比较合适,那么就要在计算当中把月球的质量算进去,也就是说,要推动的质量是地球的质量加月球的质量。
地球的磁场,根据现在地球科学的研究,主流的思想是液态外核的对流维持了地球的磁场,驱动力主要还是倾向于thermal convection。地球外壳和内核转速不一致目前还只是个假说,是基于一些对内核的观测提出的一个可能存在的现象,目前还没有太多研究着眼于这一部分对地球磁场的影响。
其实要让地球停止自转,还有一个比较有意思的点就是,内核也在旋转,如何让内核停下。地壳、地幔都是固体,可以传递切应力,但是外核粘度非常非常低,不能有效传递切应力。在我的理解里切应力是停止地球自转的最重要的一点,它是改变角速度的关键,如果没法传递到内核的话,这个系统会变得很有意思,有可能出现地壳地幔停下了,内核还在旋转的现象。
对于科幻电影而言,国内的科幻电影还处于一个很初级的阶段,我们只有不断地通过合作的方式来发展它,未来才能有更好地剧本、更现实的场景、更实际的特效,让更多人看到性感的科学。
我个人认为,只有当电影本身足够好的时候,我们才会去思考电影背后的科学有没有问题,不然我们肯定先吐槽特效做的不好、演员演得不行什么的。流浪地球这部电影在我看来是目前国内最好的科幻电影,甩开第二名大概几个行星发动机。人们看完这部电影以后愿意去探讨背后的科学问题,本身也是这部科幻电影成功的地方。如果未来能够有更多这样的科幻片,相信我们的科技行业肯定会更加欣欣向荣。观点粗糙,欢迎评论、互动。
首先我们需要了解一下地球内部的构造。在短时间尺度上(比如说人类时间尺度),地球内部除了外核是液态,其余都是固态,这也是为什么地震波中S波不能在外核里传播,但是能在地球其余部分传播的原因。在长时间尺度上(百万年时间尺度),地幔物质可以通过蠕动的方式进行流动,是非常非常粘的流体,目前通过冰川回弹测出来的地球内部粘度在10^21 Pa*s这个数量级(水在常温下的粘度大约在10^-4 Pa*s)。
首先考虑一下怎么估算。考虑到流浪地球计划整个计划在2500年这个时间尺度上,建造、启动行星发动机在30-40年的时间尺度上,这个时间尺度远远小于地幔对流的时间尺度,因此不用考虑地幔对流,那可以把这个地球抽象成一个分层的固体球,并且处于静岩压力状态。
第二步,整个球体的估算不好做,为了简化问题,那我们取一个局部的区域,比如我们挑一个地质条件非常“平均”的地方建一个行星发动机,来看看能不能先弄一个出来。假设我们有那么一个十分平坦,有着平均地壳厚度的地方,这个地方地壳厚度40km,40km以下都是地幔物质。至此我们有了个简单的层化区域模型,需要往里面加入一些物质信息。
第三步,我们看一看物质,我们只考虑建在陆地上的行星发动机。大陆岩石的平均成分比较接近andisite,那我们这个点就取andisite作为地壳组分。(这一部分对于大陆岩石的成分是我根据我的认知写的,如果有问题,请搞地化的朋友指出,谢谢!)根据目前的主流观点,地幔物质平均以后是pyrolite,那我们的地幔就取pyrolite。Andisite的密度在2.5-2.8g/cm^3,那取个平均2.65,为了计算方便,近似到2.7;pyrolite的密度这个我不太清楚,上地幔的平均密度3.4g/cm^3,那就取3.4。至此我们有了密度数据,那我们进一步细化一下我们的抽象模型。
根据上述假设,利用isostasy计算一下莫霍深度和海拔。假设洋中脊上方有3km海水(平均海水深度)密度是1027kg/m^3,再假设洋中脊是地幔物质涌出的地方,那莫霍深度差不多是34km(相对海平面),海拔6km。
第三部结束,我们有了一个“平均“地质模型,在没有搭建行星发动机前,计算一下一些特定深度的压强。地表0GPa(大气压忽略不计),莫霍面大概1.05GPa,400km处大概13.05GPa。
第四步,我们需要一些发动机的设计参数,这部分没有具体参数,只能根据图片做一些假设(没有完整的、有可靠参照物的图片,只能瞎猜,引入的误差肯定高的离谱)。一个上海金茂大厦大概是80万吨,行星发动机可比金茂大厦大多了,粗暴一点,假设发动机的质量40万亿吨(5000万个金茂大厦)。图片上显示的发动机与地面接触的有六个支撑点,每个的面积假设它有一个香港岛那么大80平方千米。那相当于每个接触点在表面额外增加了8.2*10^8Pa=0.82GPa,这个压强直接相当于地表以下25km了。
第五步计算一下喷射的时候增加的荷载。一共一万座,加起来一百五十万亿吨推力,那平均一下每座就是150亿吨推力,每个支撑点提供的法向支撑力就是25亿吨,那喷发的时候,每个接触点会增加法向压强3*10^5Pa=0.0003GPa,已经可以忽略不计了。
通过上述两步,最难的,最容易搞垮地壳的肯定是把发动机建起来,喷射带来的影响反而没有那么大。
接下来考虑把发动机建在我们的地质区域里。这个时候地表0.82GPa,莫霍面1.87GPa,400km处13.87GPa。
有了关键的一些参数,我们可以来看一下现实的情况。地表岩石在常温下的屈服应力在几百MPa左右(根据查到的资料,andisite屈服应力差不多在360MPa左右),0.82GPa可以把它们碾磨成粉了,再见太阳系之前,得先和我们的地壳再见了。