人類每年燒掉化石能源百億噸,都到哪去了,地球會不會…


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人類每年燒掉化石能源百億噸,都到哪去了,地球會不會越來越輕?

今天我們不討論化石能源污染對生態和人類未來的影響,只說說這些能源消耗會不會讓地球的質量變小的問題。所謂化石能源主要有煤和石油,這些物質不停的燒呀燒,都燒沒了,是不是質量就沒了呢?

  • 要弄清這個問題,首先你得知道“質量守恆定律”。

質量守恆定律是法國化學家拉瓦錫在18世紀發現的,由此,這個理論成為自然界基本定律之一。這個理論認為,在任何與周圍隔絕的物質系統(也叫孤立系統)中,物質不管怎麼變化,包括燃燒、蒸發等等過程,其總質量是保持不變的。

後來,愛因斯坦發現了物質運動的相對性原理,發現了質能關係為等價互換關係,將質量守恆定律發展到了質能守恆定律,並且給出了質能關係公式,及著名的質能方程,表達為:E=MC^2。對於質能轉換中的少許質量虧損我們忽略不計,質量守恆關係在化學實驗中是基本成立的。石化燃料燃燒(消耗)當然也遵循這個規律,就是說,在地球上發生的一切事情,都在地球這個“孤立”的大鍋裡。簡單通俗的地說,就是肉爛在鍋裡,不管它變成了什麼,都還在這個鍋中。前提是這個鍋必須是密封的,包括一點氣體也不會流失。

  • 因此化石燃料燃燒後總質量不變

煤炭和石油的消耗變化是一種化學反應,可以用化學方程式表述。煤炭燃燒過程主要表述為:C+O2=CO2;石油表述為:2C8H18+25O2=16CO2+18H2O 。這裡的意思是煤炭主要成分是碳,加氧燃燒後就變成了二氧化碳;石油的主要成分是碳氫化合物,燃燒後主要生成二氧化碳和水。

不管是煤炭還是石油,兩邊化學反應後的總質量是平衡的,也就是說燃燒前石油是多少質量,燃燒後生成的新物質也是多少質量。

因此,地球每天消耗再多的煤炭和石油,也不會變輕,只是空氣會越來越污濁,也就是溫室氣體的最大元兇二氧化碳會越來越多,由此地球的溫室氣體和環境氣候會發生惡化,將嚴重影響生態和人類的可持續發展,這就是全世界正在節能減排,盡量減少化石能源消耗的根本原因。

當然,上述煤炭和石油燃燒化學方程式只是理想型的一種表述。煤炭和石油本身是一種複雜化學物,除了主要成分,還有一些複雜的其他成分,因此燃燒過程也沒有那麼單純。但不管怎麼複雜,只不過增加一些雜質或者說其他化學成分而已,比如煤燃燒後會還會產生二氧化硫、灰分等,而石油本身成分就更複雜了。

石油是一種粘稠深褐色物體,一般很難直接點燃。如中國產的石油就基本燒不著,中東產的石油有的是輕質油,就可以點燃。石油必須通過提煉,將裡面的雜質將和各種不同成分分離出來,才能夠運用到社會生產生活中。石油提煉得到的產品依次大致為:瀝青-石蠟-重油-柴油-煤油-汽油-石油氣-塑料等。

  • 地球是一個孤立的系統嗎?

我們說的物質在地球上質量守恆實際上只是一個相對概念,地球在自己的系統中形成了一個相對封閉的循環,如江河湖海的水,通過蒸發進入天空,然後又通過雨雪等降水方式回歸地表;石油通過燃燒變成了其他物質,存在於地球的土壤和空氣中等等。

但一個孤立系統是指完全沒有能量與外界交流,我們地球顯然滿足不了這些條件。如太陽輻射每時每刻都光臨地球,根據質能守恆定律,地球的質能就得到增加;地球的大氣外圍接觸高度真空的太空,表層大氣在太陽風的作用下,就會有一部分脫離地球引力,逃逸到太空,地球質量就會有一些損失。

因此地球總質量是有變化的,經歷了漫長的46億年,地球質量是變多了還是減少了呢?

  • 地球大氣總量沒有減少的趨勢

前面說了,地球高層大氣每時每刻都在逃逸,有人計算每年要損失達10萬噸之多,這樣有人就要問了:地球年齡已經有46億歲,怎麼大氣還沒有逃完呢?而且未來大氣會越來越稀薄嗎?

這種擔心並非多餘,但了解後就可把心放在肚子裡了。地球大氣總質量達到6000萬億噸,每年逃逸10萬噸只是九牛一毛。即便從地球誕生那天開始,一直到太陽壽終正寢前後100億年,也只能流失100萬億噸,是大氣總質量的1/60。

減少了1/60,看起來似乎還不大,但影響一定就是很明顯的了。其實幾十億年來,大氣總量並沒有減少,而是一直保持著一個平衡。大氣每天在流失,每天也在增補,這些補充主要來自3個方面:

1、地球一直在自轉和公轉,每年圍繞著太陽轉一圈,就像一個吸塵器,引力作用會不停的將太陽系飄逸在軌道附近的氣體分子吸附回收;2、陽光給地球綠色植物提供了光合作用,這些植物不斷產生和釋放氧氣,隨時都在補充大氣層;3、地球火山爆發等地質活動,不斷將地球內部氣體釋放出來,補充大氣。

  • 那麼到底地球總質量是在增加還是減少呢?

回答是肯定的:增加。

地球最大的質量增加是在太陽系形成初期,那時的行星軌道不是很穩定,原始星子相互穿梭碰撞,一顆約火星大小的行星闖入了地球軌道,與地球發生了親密接觸,從此這顆行星融入了地球,增加了地球約1/8的質量。人們把這顆撞擊地球融入地球的星球叫“忒伊亞”。

驚天動地的一撞,撞歪了地球自轉軸,從此形成了太陽直射的南北迴歸線,有了一年四季;撞擊迸發到太空的熔岩碎塊等凝聚成了月球,從此地球形成了地月系。這些變化,為地球生命孕育和進化創造了更好的條件。

46億年來,地球質量還一直在增加,增加的主要來源有:

首先,地球每天每時每刻都有宇宙塵埃被引力吸附下來,別看這些塵埃很細小,但一直不斷飄落,每年增加質量就有5~10萬噸之多;其次,每天都有小行星碎片不斷闖入地球引力圈,大大小小隕石掉落地球,每年加起來有3萬噸之多;再次,太陽能轉化為化學能,質能轉換每年可增加質量也有數十噸之多。

因此總的來說,每年地球質量增加在10萬噸左右,這些聽起來似乎不少,但與地球總質量相比,只不過是九牛一毛。地球質量有60萬億億噸,10萬噸只是地球質量的1.6*10^-21分之一,也就是10萬億億分之1.6,即便100億年,地球增加了質量1000萬億噸,也只是增加了地球質量的1000億分之1.6,相當給珠穆朗瑪峰增加一汽油桶岩石。

這些質量體積有多少呢?我們按照地球平均密度約5.5噸/立方米計算,體積約為180億立方米,地球表面積有510萬億平方米,把這180萬億立方米的質量平鋪在全球,地球厚度100億年就增加了約0.35米。但一個人一生只有不到100年,按100年計算,人一生地球厚度增加只有3.5*10^-9米,也就是10億分之3.5米,相當3.5納米,約新冠病毒的1/30,是人眼根本無法分辨的,需要用電子顯微鏡才能看到的厚度。

因此人類肉眼是無法察覺到地球質量和厚度增加的。

就是這樣,歡迎討論,感謝閱讀。

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