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為何海底火山不會(huì)被海水澆滅?海底火山從哪來(lái)?

2022-12-24 來(lái)源:科普中國(guó)

  我們?cè)跒?zāi)難題材的影視作品中常常會(huì)看到這樣的場(chǎng)景:海底的火山劇烈噴發(fā),翻攪出可怕的渦流和巨浪……

  面對(duì)這個(gè)畫(huà)面,很多人的腦海中都曾閃過(guò)這樣的一個(gè)問(wèn)題:

  為什么海底的火山不會(huì)被海水澆滅呢?

  01火山≠?lài)娀鸬纳?

  在理解這個(gè)問(wèn)題之前,需要先糾正部分人的錯(cuò)誤印象。

  很多人在想起火山時(shí),第一反應(yīng)可能是一座高聳的錐形山,正在噴出粗大的煙柱——看上去就好像是一座正在噴火的山。

  而在火山噴發(fā)之后,大面積飄落的大量白色火山灰,也與我們常見(jiàn)的煙灰極為類(lèi)似,都是細(xì)顆粒的灰塵,都是灰白色。

  所以很多人下意識(shí)認(rèn)為火山=噴火的山。

  但如果我們拉近視角,近距離觀(guān)察火山就會(huì)發(fā)現(xiàn)完全不是這樣的。

  因?yàn)榛鹕絿姲l(fā)出來(lái)的熔巖實(shí)際上是一種高溫流體,在本質(zhì)上與水并無(wú)差別,反而與火是截然不同的物質(zhì)。

  許多熔巖的近距離照片都可以明顯看出它們很多時(shí)候與液體無(wú)異。

  我們從小學(xué)習(xí)物理的時(shí)候就知道物質(zhì)存在三種相態(tài)的變化:氣體、液體、固體。與相態(tài)變化相關(guān)的則是熔點(diǎn)和沸點(diǎn)。

  以水為例,水的熔點(diǎn)是0℃,沸點(diǎn)是100℃,當(dāng)溫度低于0℃時(shí),我們見(jiàn)到的固態(tài)水——冰;

  當(dāng)溫度處于0℃—100℃之間時(shí),我們見(jiàn)到的是液態(tài)水;

  而當(dāng)溫度高于100℃時(shí),我們見(jiàn)到的則是氣態(tài)水——水蒸氣。

  基本上所有物質(zhì)都是這樣,有熔點(diǎn)和沸點(diǎn),并會(huì)隨著溫度而改變相態(tài)。

  巖漿則是熔融的巖石——由于巖石成分非常復(fù)雜,其內(nèi)部不同成分的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)均不一致,所以其實(shí)大部分巖漿是固液氣混合物。

  而與之相比,火焰則是可燃物在燃燒過(guò)程中釋放光和熱以及各種化學(xué)產(chǎn)物的過(guò)程。

  在火焰中,主要物質(zhì)成分是二氧化碳、水蒸氣、氧氣、氮?dú)獾葰怏w。

  理解了火山噴出的是巖漿,而巖漿是高溫熔融體而不是火這一點(diǎn)之后,我們應(yīng)該就能理解:當(dāng)海底火山噴發(fā)的時(shí)候,巖漿進(jìn)入海水中其實(shí)就好像在冷水槽中通入熱水一樣,而不是從海底噴出的大火。

  冷水會(huì)讓熱水降溫,但卻無(wú)法像撲滅火焰一樣,讓熱水消失,除非我們手動(dòng)關(guān)閉熱水水龍頭。

  02海底火山從哪里來(lái)?

  所以問(wèn)題到了這里就變成,既然海底火山如同一個(gè)不斷噴出熱水的水龍頭,而海水又會(huì)讓巖漿降溫變成巖石。

  那么巨量的海水無(wú)疑能讓噴出來(lái)的巖漿都凝固,從而堵塞火山口,讓海底火山再也無(wú)法噴發(fā)吧?

  答案是不能。

  因?yàn)榛鹕綄?shí)際上是行星級(jí)別的熱量和物質(zhì)循環(huán)的產(chǎn)物,地球不死,火山就不會(huì)停止活動(dòng)。

  整個(gè)地球其實(shí)是遵循著基本的物理和化學(xué)規(guī)律在運(yùn)轉(zhuǎn)的,這些規(guī)律并不深?yuàn)W。

  比如火山的形成和活動(dòng),就可以用熱力學(xué)第二定律來(lái)解釋——聽(tīng)起來(lái)很專(zhuān)業(yè),但它的其中一種表述(克勞修斯表述)卻很貼近我們的生活:熱量總是自發(fā)地從高溫?zé)嵩戳飨虻蜏責(zé)嵩?,而不是相反?

  如果追溯地球46億年的演化歷史就會(huì)發(fā)現(xiàn)這一規(guī)律的作用:

  大約46億年前,地球在無(wú)數(shù)星子的碰撞中逐漸誕生,碰撞的能量轉(zhuǎn)換為熱量。

  因此,當(dāng)時(shí)的地球是一個(gè)巨大的巖漿球(整個(gè)或大部分地表都是巖漿),其表面溫度高達(dá)數(shù)千攝氏度。

  無(wú)數(shù)小行星的撞擊下地球就是一個(gè)紅彤彤的巖漿球,圖片中的環(huán)狀就是撞擊產(chǎn)生的。

  隨后,由于巖漿是可流動(dòng)的,因此重的物質(zhì)下沉,輕的物質(zhì)上?。矗@里又是一條物理規(guī)則)。

  重的物質(zhì)下沉?xí)r,重力勢(shì)能會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能;同時(shí),原本分散在星子中的放射性元素也因此而聚集在一起,不斷進(jìn)行衰變,同時(shí)釋放出能量。

  這些能量讓地球內(nèi)部的巖漿一直處于加熱狀態(tài)。

  但與此同時(shí),由于宇宙背景溫度很低,平均為-270℃,所以地球以熱輻射的方式不斷向外傳遞熱量(熱量傳遞三種方式:

  熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射,但宇宙中為真空,沒(méi)有介質(zhì),所以地球只能以熱輻射形式向外傳遞熱量)。

  既然傳遞了熱量,那么地球肯定要降溫——地表最先降溫,于是這里的巖漿就會(huì)先冷卻下來(lái)形成巖石,這就是最初的地殼了。

  到了現(xiàn)在,地球已經(jīng)演化出地殼、地幔、地核三層結(jié)構(gòu),其溫度也是從地殼到地核越來(lái)越高。

  同時(shí),因?yàn)橹氐奈镔|(zhì)不斷下沉,導(dǎo)致其密度也是越來(lái)越高的——地殼平均密度2.8g/cm3,地幔平均密度4.59 g/cm3,地核平均密度11 g/cm3。

  所以我們也可以認(rèn)為地殼就是“漂浮”在地幔之上的——就跟木板漂在水上一樣。

  到了這時(shí)候,我們就可以把地球想象成一個(gè)火鍋——

  地核是火爐,能量來(lái)源于重力勢(shì)能以及放射熱能;

  地幔是火鍋湯底,因?yàn)榛馉t的炙烤不斷升溫;

  地殼則是漂浮在最上層的白菜幫子。

  在地核加熱下,地幔不斷產(chǎn)生熱對(duì)流——熱的地幔從地核處往上運(yùn)動(dòng),冷的地幔物質(zhì)從地殼之下往下層鉆。

  而地殼部分相對(duì)于地幔和地核非常薄,地殼平均厚度只有17千米(大陸地殼33千米,海洋地殼10千米),就算加上上地幔頂部部分固態(tài)巖石后組成的巖石圈,其厚度也只有100千米左右。

  與之相比,地幔厚度則高達(dá)2850千米,因此,在地幔運(yùn)動(dòng)的帶動(dòng)下,這些薄薄的固態(tài)巖層必然會(huì)被撕裂開(kāi)來(lái),并隨著地幔而運(yùn)動(dòng)——

  就好像火鍋上的白菜幫子會(huì)因?yàn)榛疱仠椎姆v而運(yùn)動(dòng)不休一樣。

  被撕裂的地殼的各個(gè)部分就變成了板塊,而隨著地殼的運(yùn)動(dòng),板塊之間也會(huì)運(yùn)動(dòng)起來(lái),有些板塊之間相互碰撞,有些板塊之間相互分離。

  從常識(shí)就能知道,這些相互分離的板塊邊界處又薄又脆弱,其下的地幔物質(zhì)也很容易突破巖層的封鎖,噴出地表——

  這樣就會(huì)沿著板塊邊界形成一長(zhǎng)溜火山帶。

  而隨著板塊之間分開(kāi)的越來(lái)越遠(yuǎn),板塊邊界處火山噴發(fā)后的巖漿冷卻,就形成了薄薄的地層,也就是洋殼。

  由于這里相對(duì)于板塊內(nèi)部地層薄很多,因此自然就是低洼地帶,所以就會(huì)積水形成海洋。

  事實(shí)上海洋也就是這么形成的,而海洋的形成也與板塊運(yùn)動(dòng)息息相關(guān)。

  我們?cè)谀壳暗牡厍蛏暇湍苷业礁鱾€(gè)生長(zhǎng)階段的海洋:

  裂谷-小洋盆-成熟的洋盆-消亡階段的洋盆-死亡即將閉合的洋盆-完全閉合的洋盆。這在地質(zhì)學(xué)中被稱(chēng)為威爾遜循環(huán)。

  所以,海底火山實(shí)際上就是板塊運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,其中絕大部分海底火山都位于板塊分離的邊界。

  從二戰(zhàn)以后,隨著人類(lèi)對(duì)海洋探索的深入,我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了漫長(zhǎng)的海底火山帶,它們大多位于海洋中間的位置,被稱(chēng)為洋中脊。

  它們是世界上最長(zhǎng)的山脈,總長(zhǎng)度約有8萬(wàn)千米。

  當(dāng)然,還有另外一些海底火山。它們的形成與地幔熱柱的活動(dòng)有關(guān)系。

  在地幔處并不是處處均勻受熱的,其中部分地幔物質(zhì)要比其他地方熱很多,熱了就會(huì)向上跑,于是它們就會(huì)形成直達(dá)地殼之下的地幔熱柱。

  地幔熱柱頂端可能還會(huì)分出不少分支小熱柱來(lái),它們的活動(dòng)也會(huì)頂破薄薄的洋殼的束縛,成為不斷噴涌的海底火山。夏威夷島鏈的形成就與此有關(guān)。

  但無(wú)論是板塊邊緣,還是地幔熱柱,火山的形成都是地球內(nèi)部熱量循環(huán)的結(jié)果,僅靠地表這薄薄的一層海水是無(wú)法讓地球內(nèi)部停止活動(dòng)的。

  所以說(shuō),大家就不必為海底的火山而擔(dān)心啦!

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責(zé)任編輯:栗子