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人类每年烧掉化石能源百亿吨,都到哪去了,地球会不会越来越轻?

今天我们不讨论化石能源污染对生态和人类未来的影响,只说说这些能源消耗会不会地球的质量变小的问题。所谓化石能源主要有煤和石油,这些物质不停的烧呀烧,都烧没了,是不是质量就没了呢?

要弄清这个问题,首先你得知道“质量守恒定律”。

质量守恒定律是法国化学家拉瓦锡在18世纪发现的,由此,这个理论成为自然界基本定律之一。这个理论认为,在任何与周围隔绝的物质系统(也叫孤立系统)中,物质不管怎么变化,包括燃烧、蒸发等等过程,其总质量是保持不变的。

后来,爱因斯坦发现了物质运动的相对性原理,发现了质能关系为等价互换关系,将质量守恒定律发展到了质能守恒定律,并且给出了质能关系公式,及著名的质能方程,表达为:E=MC^2。对于质能转换中的少许质量亏损我们忽略不计,质量守恒关系在化学实验中是基本成立的。石化燃料燃烧(消耗)当然也遵循这个规律,就是说,在地球上发生的一切事情,都在地球这个“孤立”的大锅里。简单通俗的地说,就是肉烂在锅里,不管它变成了什么,都还在这个锅中。前提是这个锅必须是密封的,包括一点气体也不会流失。

因此化石燃料燃烧后总质量不变

煤炭和石油的消耗变化是一种化学反应,可以用化学方程式表述。煤炭燃烧过程主要表述为:C+O2=CO2;石油表述为:2C8H18+25O2=16CO2+18H2O 。这里的意思是煤炭主要成分是碳,加氧燃烧后就变成了二氧化碳;石油的主要成分是碳氢化合物,燃烧后主要生成二氧化碳和水。

不管是煤炭还是石油,两边化学反应后的总质量是平衡的,也就是说燃烧前石油是多少质量,燃烧后生成的新物质也是多少质量。

因此,地球每天消耗再多的煤炭和石油,也不会变轻,只是空气会越来越污浊,也就是温室气体的最大元凶二氧化碳会越来越多,由此地球的温室气体和环境气候会发生恶化,将严重影响生态和人类的可持续发展,这就是全世界正在节能减排,尽量减少化石能源消耗的根本原因。

当然,上述煤炭和石油燃烧化学方程式只是理想型的一种表述。煤炭和石油本身是一种复杂化学物,除了主要成分,还有一些复杂的其他成分,因此燃烧过程也没有那么单纯。但不管怎么复杂,只不过增加一些杂质或者说其他化学成分而已,比如煤燃烧后会还会产生二氧化硫、灰分等,而石油本身成分就更复杂了。

石油是一种粘稠深褐色物体,一般很难直接点燃。如中国产的石油就基本烧不着,中东产的石油有的是轻质油,就可以点燃。石油必须通过提炼,将里面的杂质将和各种不同成分分离出来,才能够运用到社会生产生活中。石油提炼得到的产品依次大致为:沥青-石蜡-重油-柴油-煤油-汽油-石油气-塑料等。

地球是一个孤立的系统吗?

我们说的物质在地球上质量守恒实际上只是一个相对概念,地球在自己的系统中形成了一个相对封闭的循环,如江河湖海的水,通过蒸发进入天空,然后又通过雨雪等降水方式回归地表;石油通过燃烧变成了其他物质,存在于地球的土壤和空气中等等。

但一个孤立系统是指完全没有能量与外界交流,我们地球显然满足不了这些条件。如太阳辐射每时每刻都光临地球,根据质能守恒定律,地球的质能就得到增加;地球的大气外围接触高度真空的太空,表层大气在太阳风的作用下,就会有一部分脱离地球引力,逃逸到太空,地球质量就会有一些损失。

因此地球总质量是有变化的,经历了漫长的46亿年,地球质量是变多了还是减少了呢?

地球大气总量没有减少的趋势

前面说了,地球高层大气每时每刻都在逃逸,有人计算每年要损失达10万吨之多,这样有人就要问了:地球年龄已经有46亿岁,怎么大气还没有逃完呢?而且未来大气会越来越稀薄吗?

这种担心并非多余,但了解后就可把心放在肚子里了。地球大气总质量达到6000万亿吨,每年逃逸10万吨只是九牛一毛。即便从地球诞生那天开始,一直到太阳寿终正寝前后100亿年,也只能流失100万亿吨,是大气总质量的1/60。

减少了1/60,看起来似乎还不大,但影响一定就是很明显的了。其实几十亿年来,大气总量并没有减少,而是一直保持着一个平衡。大气每天在流失,每天也在增补,这些补充主要来自3个方面:

1、地球一直在自转和公转,每年围绕着太阳转一圈,就像一个吸尘器,引力作用会不停的将太阳系飘逸在轨道附近的气体分子吸附回收;2、阳光给地球绿色植物提供了光合作用,这些植物不断产生和释放氧气,随时都在补充大气层;3、地球火山爆发等地质活动,不断将地球内部气体释放出来,补充大气。

那么到底地球总质量是在增加还是减少呢?

回答是肯定的:增加。

地球最大的质量增加是在太阳系形成初期,那时的行星轨道不是很稳定,原始星子相互穿梭碰撞,一颗约火星大小的行星闯入了地球轨道,与地球发生了亲密接触,从此这颗行星融入了地球,增加了地球约1/8的质量。人们把这颗撞击地球融入地球的星球叫“忒伊亚”。

惊天动地的一撞,撞歪了地球自转轴,从此形成了太阳直射的南北回归线,有了一年四季;撞击迸发到太空的熔岩碎块等凝聚成了月球,从此地球形成了地月系。这些变化,为地球生命孕育和进化创造了更好的条件。

46亿年来,地球质量还一直在增加,增加的主要来源有:

首先,地球每天每时每刻都有宇宙尘埃被引力吸附下来,别看这些尘埃很细小,但一直不断飘落,每年增加质量就有5~10万吨之多;其次,每天都有小行星碎片不断闯入地球引力圈,大大小小陨石掉落地球,每年加起来有3万吨之多;再次,太阳能转化为化学能,质能转换每年可增加质量也有数十吨之多。

因此总的来说,每年地球质量增加在10万吨左右,这些听起来似乎不少,但与地球总质量相比,只不过是九牛一毛。地球质量有60万亿亿吨,10万吨只是地球质量的1.6*10^-21分之一,也就是10万亿亿分之1.6,即便100亿年,地球增加了质量1000万亿吨,也只是增加了地球质量的1000亿分之1.6,相当给珠穆朗玛峰增加一汽油桶岩石。

这些质量体积有多少呢?我们按照地球平均密度约5.5吨/立方米计算,体积约为180亿立方米,地球表面积有510万亿平方米,把这180万亿立方米的质量平铺在全球,地球厚度100亿年就增加了约0.35米。但一个人一生只有不到100年,按100年计算,人一生地球厚度增加只有3.5*10^-9米,也就是10亿分之3.5米,相当3.5纳米,约新冠病毒的1/30,是人眼根本无法分辨的,需要用电子显微镜才能看到的厚度。

因此人类肉眼是无法察觉到地球质量和厚度增加的。

就是这样,欢迎讨论,感谢阅读。

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