Tài liệu Các nguồn năng lực

Nội dung text: Tài liệu Các nguồn năng lực

1. TÀI LIỆU Các nguồn năng lực 2
2. MỤC LỤC Chương 2: Các nguồn năng lượng 2.1 Nguồn năng lượng bên trong 2.1.1 Năng lượng trọng lực 2.1.2 Năng lượng từ nguyên tố phóng xạ 2.2 Tuổi và các sự kiện của lịch sử trái đất 2.2.1 Tuổi của trái đất 2.2.2 Lịch sử của trái đất 2.3 Trái đất phân lớp 2.4 Đẳng tĩnh 2.5 Các nguồn năng lượng bên ngoài 3
3. Chương 2: Các nguồn năng lượng Vỏ cảnh quan xuất hiện đồng thời với vỏ Trái đất và chúng có sự phân dị theo đai, theo đới địa lý. Nguyên nhân gây ra sự phân dị này là các nguồn năng lượng bên trong và bên ngoài Trái đất bao gồm: 1) nội nhiệt của Trái đất, 2) mặt trời, 3) trọng lực, và 4) tác động của các vật thể ngoài Trái đất. Năng lượng chứa bên trong Trái đất liên tục phun lên bề mặt (còn gọi là những lực xây dựng), tùy theo qui mô và thời gian hoạt động các lực này tạo nên các cấp cảnh quan khác nhau: Trong những khoảng thời gian ngắn năng lượng bên trong được tập trung tạo ra các núi lửa hay động đất tạo nên các thung lũng. 4
4. Trong những khoảng thời gian địa chất dài hơn, nó tạo ra các lục địa, đại dương, và khí quyển. Ở qui mô hành tinh, dòng phun ra ngoài của nội nhiệt làm cho lục địa trôi dạt, va chạm và tạo nên các dải núi và cao nguyên. Những lực xây dựng lục địa công suất lớn bên trong nói trên bị ngoại lực của mặt trời cộng với trọng lực kháng lại. Khoảng ¼ năng lượng mặt trời đến Trái đất làm bay hơi nước vào khí quyển. Sức hút liên tục của trọng lực giúp mang độ ẩm khí quyển trở lại mặt đất như nước và tuyết. Trọng lực cung cấp năng lượng cho các nhân tố xâm thực – băng hà, các dòng chảy, nước ngầm, sóng đại dương, dòng biển và thời tiết (phong hóa) đã làm xói mòn các lục địa, phân hủy các tàn tích và vận chuyển các mảnh vỡ của chúng vào biển. Như vậy, bức xạ mặt trời là nguồn ngoại lực quan trọng nhất vì chúng làm bốc hơi nước, nhưng trọng lực là lực trung gian điều khiển các nhân tố xâm thực. Một nguồn năng lượng khác đến từ không gian-các thiên thể và sao chổi-tác động đến Vỏ cảnh quan. Mặc dầu các vụ va chạm với các vật thể lớn không thường xuyên, ảnh hưởng của chúng đến sự sống có thể là toàn cầu. Xung đột lâu dài giữa các lực nội sinh xây dựng hình thành và nâng cao khối đất đồng thời các lực ngoại sinh phá hủy xói mòn lục địa và vận chuyển các mảnh vỡ lục địa vào các bồn đại dương. Nếu tất cả các công trình núi và sự nâng lên dừng lại. Lực kết hợp của các nhân tố xâm thực sẽ đủ để hạ thấp lục địa tới 5
5. mực nước biển chỉ trong 45 triệu năm. Điều này tưởng như thời gian kéo dài vô cùng, nhưng nhớ rằng trong 4.5 tỉ năm tuổi Trái đất, nghĩa là xâm thực đủ mạnh để san phẳng lục địa khoảng 100 lần nếu nội lực không duy trì nâng cao lục địa cổ và bổ sung các khối đất mới. 2.1 Nguồn năng lượng bên trong Để hiểu nguồn gốc và đặc điểm năng lượng bên trong Trái đất, chúng ta cần tìm lịch sử sơ khai của hành tinh chúng ta. Trái đất là hành tinh động; nó tái sinh các đá và loại bỏ nhiều dữ liệu của lịch sử sơ khai của nó. Các đá càng cổ, thời gian dài hơn càng bị phá hủy nhiều hơn. Tuy nhiên các đá cấu trúc nên vỏ cảnh quan thời kỳ sơ khai còn lại cùng với các kiến thức khoa học phát triển của chúng ta về các quá trình bên trong Trái đất và trong Hệ Mặt trời, cho phép chúng ta phác thảo lịch sử sơ khai phức tạp của Trái đất nói chung và vỏ cảnh quan nói riêng. Trái đất xuất hiện lúc đầu như là khối bồi kết của các hạt và khí từ các đám mây quay trong vũ trụ cách ngày nay khoảng 4.5 tỷ năm. Các mảnh tích tụ ở thời kỳ đầu của Trái đất gồm các hạt giầu kim loại (như các thiên thạch giầu sắt), các đá (các thiên thạch đá), và băng (nước, carbonic, và các thành phần khác). Khi quả cầu của các hạt kết thành khối tăng lên, lực trọng lực có thể đã hút nhiều mẩu kim loại vào trung tâm, trong khi một số vật liệu nhẹ hơn có thể tập trung ra gần bên ngoài. Trái đất trong thời thơ ấu được xem là các vật liệu tương đối đồng nhất. Tuy vậy, Trái đất không duy trì sự đồng nhất lâu dài. Các quá trình hình thành hành tinh tạo ra lượng nhiệt rất lớn, đã làm thay đổi cơ bản hành tinh trẻ từ quả cầu gần như đồng nhất thành một khối phân tầng theo tỷ trọng với các vật liệu nặng hơn ở tâm và các vật liệu nhẹ hơn dần ra phía ngoài. Nhiệt làm biến đổi Trái đất 6
6. do: 1) năng lượng va chạm, 2) năng lượng trọng lực và 3) sự phân rã các nguyên tố phóng xạ. Hình 2.1 Các quá trình sinh nhiệt trong nhiều năm hình thành Trái đất gồm: 1) va chạm của các tiểu hành tinh, 2) phân rã các nguyên tố phóng xạ, 3) sự co trọng lực. 2.1.1 Năng lượng va chạm Năng lượng va chạm của các hạt đập vào nhau khi Trái đất lớn dần đã tạo ra nhiệt. Số lượng rất lớn các các thiên thể lớn nhỏ, thiên thạch và sao chổi dụng vào trái đất, với năng lượng di chuyển của nó chuyển thành nhiệt trong tác động. 2.1.2 Năng lượng trọng lực Năng lượng trọng lực được giải phóng khi Trái đất sơ khai bị hút thành một khối đậm đặc tăng lên. Sự chôn vùi sâu hơn của vật liệu khi khối Trái đất lớn dần gây ra sức hút trọng lực gia tăng nhiều hơn rồi được nén vào bên trong. Năng lượng trọng lực này đã được chuyển thành nhiệt mà không thoát ra được một cách dễ dàng do sự dẫn nhiệt rất chậm qua các đá. Khi nhiệt độ bên trong 7
7. Trái đất vượt quá 1,000oC, nó vượt qua điểm nóng chảy của sắt tại các độ sâu khác nhau. Sắt hình thành khoảng 1/3 khối lượng Trái đất, mặc dầu nó có tỷ trọng lớn hơn nhiều các đá thông thường, nhưng nó chảy ở nhiệt độ thấp hơn nhiều. Sự tích lũy nhiệt làm cho các khối thiên thạch giầu sắt nóng chảy. Sắt lỏng tỷ trọng cao bị hút bởi trọng lực vào tâm Trái đất. Khi khối lượng sắt lỏng khổng lồ này di chuyển vào trong để tạo thành Nhân Trái đất, chúng giải phóng một khối lượng năng lượng trọng lực mà được chuyển thành nhiệt và nâng nhiệt độ bên trong Trái đất tới 2000 oC. Sự giải phóng khối lượng lớn nhiệt này sẽ tạo ra sự nóng chảy tràn lan làm cho các vật liệu tỉ trọng thấp nổi lên cao và hình thành: 1) Vỏ nguyên thủy của các đá tỉ trọng thấp ở bề mặt của Trái đất 2) Các đại dương lớn 3) Khí quyển nặng hơn. Sự hình thành nhân giầu sắt là sự kiện duy nhất trong lịch sử Trái đất. 2.1.3 Năng lượng từ các nguyên tố phóng xạ Năng lượng được giải phóng từ các nguyên tố phóng xạ khi các nguyên tử mẹ phóng xạ không bền vững bắn ra các hạt dưới nguyên tử, giảm kích thước của chúng và trở nên nhỏ hơn, các nguyên tử con không phóng xạ (Hình 2.2). Các hạt nhân của các nguyên tử phóng xạ được nhồi đầy các hạt dưới nguyên tử, gồm các proton nạp điện dương và các neutron trung hòa. Các nguyên tử phóng xạ nặng quá mức giảm kích thước ổn định xuống bởi sự phát ra: 8
8. 1) Các hạt alpha gồm hai proton và hai neutron (hạt nhân của nguyên tử helium) 2) Các hạt beta là các điện tử được giải phóng trong lúc phân chia neutron và 3) Bức xạ gamma tương tự như các tia X nhưng với bước sóng ngắn hơn. Vì các hạt bật ra nhanh bị chậm lại và bị hấp thu bởi vật chất bao quanh, năng lượng di động của chúng được chuyển đổi thành nhiệt. Hình 2.2 Các nguyên tử mẹ phóng xạ phân rã thành nguyên tử con bởi phát ra các hạt alpha (như hạt nhân của nguyên tử heli, tức là 2 proton và 2 neutron), các hạt beta (electron), và bức xạ gamma (như tia X) Trái đất trẻ có sự bổ sung các nguyên tố phóng xạ lớn hơn nhiều, tạo ra lượng nhiệt lớn hơn nhiều so với hiện nay. Vào lúc khởi đầu của trái đất có vô số các nguyên tố phóng xạ tồn tại ngắn, như aluminum-26 mà bây giờ không còn nữa, cũng như các nguyên tố phóng xạ tồn tại dài, hiện rất nhiều nguyên tố đã dùng rất nhiều năng lượng của chúng (Bảng 2.1). Bảng 2.1 Một số nguyên tố phóng xạ trong trái đất Nguyên tử mẹ Sản phẩm phân rã Chu kỳ bán phân rã Aluminum-26 Magnesium-26 0.00072 (720.000năm) 9
9. Uranium-235 Lead-207 0.71 Potassium-40 Argon-40 1.3 Uranium-238 Lead-206 4.5 Thorium-232 Lead-208 14 Rubidium-87 Strontium-87 47 Samarium-147 Neodymium-147 106 Quá trình phân rã được đo bằng chu kỳ bán phân rã (half life), là khoảng thời gian cần thiết để một nửa khối lượng nguyên tố phóng xạ mẹ phân rã thành sản phẩm phân rã. Tổng năng lượng bên trong từ các va chạm, trọng lực, và các nguyên tố phóng xạ, cộng với năng lượng bổ sung tạo bởi ma sát thủy triều là rất lớn. Một lượng lớn hơn các nguyên tố phóng xạ tại lúc khởi đầu của trái đất được kết hợp với lực hấp dẫn sơ khai và các tác động thiên thạch xảy ra thường xuyên hơn đã nâng cao nhiệt độ bên trong Trái đất trong suốt thời kỳ tiền sử của nó. Chú ý rằng sự tích lũy nhiệt bên trong trái đất đã đạt cực đại ngay thời kỳ đầu của lịch sử trái đất và sau đó giảm đáng kể. Tuy nhiên, ngày nay dòng nhiệt bên trong hướng lên mặt Trái đất vẫn đủ lớn để cung cấp năng lượng cho các lục địa trôi dạt, các núi lửa phún xuất và động đất rung chuyển. 2.2 Tuối và các sự kiện của lịch sử Trái đất 2.2.1 Tuổi của Trái đất Trái đất có tuổi 4.55 tỉ năm, thời gian để nhiều thay đổi xảy ra. Tuổi 4.55 tỉ năm được đo bằng việc sử dụng các nguyên tố phóng xạ và các sản phẩm phân rã của nó thu thập từ các đá Mặt trăng và thiên thạch (meteorite). Đá trái đất cổ nhất tìm thấy ở tây bắc Canađa được định tuổi là 3.96 tỉ năm và 3.9 tỉ năm ở Greenland. Các đá này thuộc thành phần vỏ, nghĩa là chúng được tái sinh và 10
10. được hình thành từ các đá cổ hơn (tuổi cổ nhất thu được trên các vật liệu Trái đất là 4.2 tỉ năm, đo được trên các hạt cát zircon từ đá cát kết 3.1 tỉ năm ở Tây Úc). Bằng cách nào chúng ta có thể suy luận Trái đất có tuổi là 4.55 tỉ năm khi các đá cổ nhất của Trái đất ít hơn 4 tỉ năm và các khoáng vật cổ nhất là 4.2 tỉ năm?. Trái đất là một hành tinh động (energetic), các đá bề mặt liên tục được hình thành và bị phá hủy. Do các quá trình Trái đất hoạt động, các vật liệu cổ hiếm khi được bảo tồn; có quá nhiều sự kiện, qua nhiều năm, phá hủy các đá. Để thay thế chúng ta tìm các đá cổ nhất trên Mặt trăng mà không còn hoạt động địa chất nhận thấy rằng chúng có tuổi khoảng 4.55 tỉ năm. Giả thiết nguồn gốc phổ biến đối với Trái đất, Mặt trăng, các thiên thạch và phần còn lại của Hệ Mặt trời, tuổi 4.55 tỉ năm đo được từ các đá Mặt trăng và các thiên thạch được sử dụng tuổi cho tất cả. Như thế, chúng ta có thể kết luận từ bằng chứng trực tiếp rằng Trái đất có tuổi từ 4 đến 4.2 tỉ năm cộng với khoảng 0.35 đến 0.55 khi xem trái đất có tuổi tương đương với mặt trăng và các thiên thạch. 2.2.2 Lịch sử Trái đất Hiểu biết hiện tại của chúng ta hiện nay về nguồn gốc Trái đất là khối bụi bồi kết và các hạt lớn hơn di chuyển theo qũy đạo Mặt Trời cách nay trên 4.5 tỉ năm. Nhiệt bên trong đã lên cao trong suốt vài trăm triệu năm đầu sau khi bồi dần các hạt này do các va chạm của thiên thạch, sự co rút hấp dẫn, và phân rã các nguyên tố phóng xạ. Trong suốt thời gian này, Trái đất giống như bình nước sôi (simmering pot). Nhiệt độ đã liên tục tăng cho tới khi đạt được nhiệt độ tới hạn, tại nhiệt độ này sắt bị nóng chảy. Sau đó trọng lực đã đẩy sắt lỏng vào trong để tạo ra nhân sắt. Quá trình hình thành nhân sắt đã giải phóng năng lượng hấp dẫn và nhiệt độ, đã 11
11. gây ra sự nóng chảy tràn lan. Các vật liệu mật độ thấp (magma, nước và khí) giải phóng do nóng chảy tăng lên và được tích tụ ở mặt ngoài Trái đất như các lục địa, các đại dương, và khí quyển. Chúng ta biết rằng các đại dương lớn và các lục địa nhỏ đã tồn tại cách nay 3.9 tỉ năm, sự sống đã hiện diện là các vi khuẩn quang hợp cách nay 3.5 tỉ năm, các lục địa lớn đã hiện diện cách nay 2.5 tỉ năm, và các lớp ngoài cùng của trái đất là các lớp hoạt động trong quá trình kiến tạo mảng cách nay ít nhất là 1.5 tỉ năm. 2.3 Trái đất phân lớp Như vậy Trái đất là sản phẩm của 4.5 tỉ năm phân dị thành các lớp có tỷ trọng khác nhau. Nhiều vật liệu tỷ trọng lớn nhất bị hút vào trung tâm, và một số chất tỷ trọng nhỏ nhất thoát ra bề mặt (Hình 2.3). Tại tâm Trái đất nhân giầu sắt có đường kính khoảng 7,000km. Nhân trong là khối đặc đường kính 2,450km với nhiệt độ lên đến 4,300 oC. Nhân ngoài gần như lỏng và trạng thái nhớt có khả năng phát sinh trường từ Trái đất. Toàn bộ nhân giầu sắt có thành phần tương đối giống khối thiên thạch kim loại nóng chảy. Bọc xung quanh nhân là mantle đá dày gần 2,900km với thành phần giống như khối thiên thạch đá (chondritic). Mantle chiếm 83% thể tích Trái đất và khối lượng của nó. Trôi trên đỉnh đá nổi, nóng của mantle là vỏ khảm của các đá nhẹ hơn, và trên đá này là đại dương và khí quyển. 12
12. Hình 2.3 Phân tầng tỷ trọng trong trái đất: các vật liệu tỷ trọng thấp hơn nổi trên các vật liệu tỷ trọng cao hơn. Áp suất và nhiệt độ gia tăng từ bề mặt tới tâm Trái đất Sự phân dị có thể tương tự như làm nóng chảy thiên thạch đá trong phòng thí nghiệm. Sự nấu chảy tạo ra sự tách biệt trong đó các nguyên tố tỷ trọng thấp nổi lên trên, chất lắng là các khoáng vật/nguyên tố tỉ trọng cao hơn. Sự phân dị này tương tự vỏ lục địa do nóng chảy và tách ra nổi lên trên mantle cao nhất. Trong nhiều năm dòng nhiệt đi lên mặt đất thoát ra nhiều nguyên tố nhẹ để hình thành vỏ lục địa. Từ viễn cảnh chung có thể thấy rằng Trái đất không đồng nhất, quả cầu đặc nhưng nhưng phân thành các lớp. Lớp vật liệu nhẹ hơn lần lượt tựa trên lớp vật liệu có tỷ trọng cao hơn. Nhân với tỷ trọng 16gm/cm3 đỡ mantle với tỷ trọng từ 5.7 đến 3.3gm/cm 3. Ở đỉnh mantle các lục địa với tỷ trọng khoảng 2.7 gm/cm 3, đến lượt mình đỡ các đại dương mặn với tỷ trọng khoảng 1.03 gm/cm 3, và sau đó lớp tỷ trọng nhỏ nhất của chúng là khí quyển. Khái niệm các lớp trôi cũng đúng với các qui mô nhỏ hơn. Ví dụ, đại dương được tạo bởi các khối nước phân tầng có tỷ trọng khác nhau. 13
13. Nước Nam Cực nặng, rất lạnh chảy dọc theo đáy đại dương và bị phủ bởi nước Bắc Cực lạnh mà bị phủ bởi nước mặn, nước này bị phủ bởi nước ấm hơn, nước biển tỷ trọng nhỏ hơn. Như vậy: Trái đất bao gồm các lớp phân tầng theo tỷ trọng từ nhân đến khí quyển. 2.4 Đẳng tĩnh Sự phân lớp của Trái đất có thể được mô tả hoặc là: 1) những phân tách dựa vào tỷ trọng khác nhau do sự thay đổi các thành phần khoáng vật và hóa học hoặc 2) các lớp với sức bền khác nhau. Cả nhiệt độ và áp suất liên tục gia tăng từ bề mặt Trái đất vào nhân, những ảnh hưởng của chúng tới các vật liệu là khác nhau. Nhiệt độ tăng làm cho đá nở khối và trở nên nhẹ hơn và có khả năng chảy dưới áp suất và phản ứng với trọng lực. Sự gia tăng áp suất làm cho đá giảm khối lượng và trở nên đặc hơn và cứng hơn. Tưởng tượng như nhựa đường trên mặt đất. vào ngày lạnh nó rắn và và dễ vỡ, nhưng vào ngày nóng nó có thể chảy như chất lỏng nhớt. Những kiểu biến đổi tương tự về tính chất vật lý đánh dấu các lớp khác nhau của vỏ trái đất. Thực ra, từ cảnh tượng của các thảm họa địa chất, ranh giới vỏ-mantle không quan trọng như ranh giới giữa thạch quyển rắn (lithosphere) nơi áp suất có ưu thế hơn nhiệt độ và quyển mềm (asthenosphere) nơi nhiệt độ có ưu thế hơn áp suất (Hình 2.4). Sự khác nhau về độ bền và đặc điểm cơ học giữa trạng thái rắn và lỏng nguyên nhân một phần gây ra động đất và núi lửa. Các khái niệm về khí, lỏng và rắn chúng ta rất quen thuộc. Khí có khả năng bốc hơi, giãn nở vô hạn, chất lỏng thì lỏng, chảy được dễ dàng. Chất rắn thì rắn chắc, nó kháng lại áp suất và không dễ 14
14. thay đổi hình dạng. Điểm sâu sa trong các định nghĩa này là ảnh hưởng của thời gian. Tất cả các định nghĩa này mô tả hành vi trong một thời điểm, nhưng làm thế nào mô tả sự thay đổi hành vi theo thời gian?. Một số chất rắn chịu áp suất lâu dài như thế tại mọi thời điểm nào đó, chúng là chất rắn, chúng đang biến dạng bên trong và đang chảy như một chất lỏng. Ví dụ tương tự là băng trong băng hà. Khi băng hà va chạm với búa đá, các khúc băng bị vỡ ra. Bên trong băng hà, các nguyên tử thay đổi vị trí bên trong cấu trúc băng và di chuyển xuống chân đồi với ứng suất thấp hơn. Như vậy lúc đầu băng hà không phải là chất lỏng, theo thời gian chúng chảy xuống chân đồi như là chất lỏng có độ nhớt cao. Hình 2.4 Các lớp trên của Trái đất được nhận dạng 1) về thành phần, vỏ tỷ trọng thấp tách khỏi mantle tỷ trọng cao hơn nằm dưới, hoặc 2) trên cơ sở độ bền, như thạch quyển cứng nổi trên đỉnh quyển mềm “dẻo”. Một ví dụ khác được trình bày bởi muối đá (muối clorua natri). Khi một phần của đại dương có sự chảy vào hạn chế của nước biển và bay hơi chiếm ưu thế, lúc đó muối đá kết tinh và tích đọng 15
15. ở đáy đại dương. Khi các lớp muối dần bị chôn vùi bởi tầng trầm tích dày (cuội, cát, bùn), áp suất và nhiệt độ liên tục gia tăng. Khi trầm tích nằm trên đạt chiều dày 450-600m, trọng lượng của nó tạo ra áp suất vượt quá sức bền của muối đá. Điều này làm cho muối biến dạng bên trong và chảy với lực nổi lên trên, đẩy nó lên phía bề mặt như thể nút hoặc vòm muối (Hình 2.5). Các vòm muối tồn tại ở nhiều khu vực trên thế giới. Ví dụ, vùng Texas- Louisiana có lớp muối dày thành tạo trên nền sơ khai của vịnh Mexico cổ. Lớp muối này hiện bị chôn vùi ở độ sâu tới 10km. Và lớp muối này đã đẩy lên 200 nút muối, một số nút có đường kính đến 11km. Ngay cả các đá cứng và bền nhất cũng bị hóa lỏng do nhiệt độ cao. Hình 2.5 Nút hoặc vòm muối bị đẩy lên do áp lực của sự tích tụ các lớp trầm tích dày bên trên Kiểu hành vi cơ học được minh họa bởi đá muối điển hình cho đá trong quyển mềm của trái đất. Các lớp đá này thì “mềm dẻo” được William James sử dụng trong Principles of Psychology 1890. Ông định nghĩa “có cấu trúc đủ yếu để chịu sự ảnh hưởng, nhưng đủ mạnh để không chịu mọi ảnh hưởng ngay lập tức” Đỉnh của quyển mềm tới bề mặt tại các chuỗi núi lửa của đại dương nhưng nằm hơn 100km dưới bề mặt ở các khu vực khác. Nó có các ranh giới tiệm tiến lên trên và xuống thấp và khoảng 250 km bề dày. Điều gì là những ảnh hưởng của việc có đới “plastic” này ở gần bên 16
16. ngoài bề mặt?. Có nhiều sự chảy dưới áp lực của đá (chảy đùn) trong quyển mềm đã làm cho bề mặt trái đất nâng lên hoặc hạ xuống. Khái niệm đẳng tĩnh đã được phát triển trong thế kỷ trước. Nó áp dụng nguyên lý đẩy nổi (buoyancy) cho các lục địa tỷ trọng thấp và các dẫy núi trôi trên mantle tỷ trọng lớn hơn nằm dưới. Như thế lục địa trôi lềnh bềnh phía trên đồng thời nó có “rễ” dày phía dưới (Hình 2.4). Một ví dụ về ảnh hưởng đẩy nổi này hoặc cân bằng đẳng tĩnh đã được xác định bởi việc khảo sát cảnh quan cẩn thận trước và sau khi xây dựng Đập Hoover trên Sông Colorado đông Las Vegas, Nevada: Ngày 1 tháng giêng năm 1935, việc chứa nước trong Hồ Mead được thực hiện. Năm 1941, khoảng 24 triệu acre feet được giữ lại, đặt tải trọng 40.000 tấn trên diện tích 232 dặm vuông. Mặc dầu đây là hồ chứa nhân tạo hùng vĩ, vậy tác động mà bạn có thể tưởng tượng trên Trái đất là gì ? Thực ra, trong suốt 15 năm từ 1935 đến 1950, vùng trung tâm dưới bồn này hạ tới 175mm. Hoạt động giữ nước tương đối đơn giản đã gây ra sự điều chỉnh đẳng tĩnh, làm cho khu vực hạ xuống. Các hoạt động nâng thẳng đứng của thạch quyển cứng nổi trên quyển mềm linh động cũng được chứng minh bằng tài liệu. Thêm tải trọng trên mặt Trái đất và đo sự điều chỉnh xuống dưới; bỏ tải trọng và đo được sự nâng lên (Hình 2.6). Rõ ràng bề mặt Trái đất là sự cân bằng tinh tế. Trong chương tiếp theo về kiến tạo mảng, sự di chuyển ngang giữa thạch quyên và quyển mềm sẽ được khảo sát. 17
17. Hình 2.6 Minh họa sự cân bằng đẳng tĩnh. Các khối gỗ có độ nổi thay đổi trên mặt nước. Mỗi khối gỗ chìm xuống nước khác nhau, khối lượng nổi tỉ lệ với khối lượng chìm. 2.5 Các nguồn năng lượng bên ngoài 2.5.1 Mặt trời Công việc tái tạo vỏ Trái đất và sự hình thành vỏ địa lý nói riêng được thực hiện bởi năng lượng bên trong Trái đất rất vĩ đại, vậy mà lượng nhiệt đi lên bề mặt nhỏ hơn nhiều so với lượng nhiệt nhận được từ mặt trời. Chỉ 1% phút của năng lượng bức xạ mặt trời tới Trái đất, thì nó đã lớn hơn 5.300 lần so với lượng nhiệt đến từ trong lòng Trái đất (Bảng 2.2). Ít hơn ¼ năng lượng mặt trời tới mặt đất liên quan với công việc thực hiện (tạo ra sự hoạt động trong hệ thống Trái đất). Khoảng 30% phản xạ ngược lại không gian là bức xạ sóng ngắn và thêm 47% bị hấp thụ như là nhiệt bởi không khí, biển và đất rồi tái bức xạ ngược lại không gian bằng bức xạ sóng dài. Còn lại 23% được dùng trong việc bốc hơi nước và đưa nó vào khí quyển, thực hiện bước đầu quan trọng của chu trình thủy văn (Hình 2.7). Các đại dương giữ phần lớn nhất: 97.3% nước của Trái đất. Trong 2.7% còn lại 77% là các khối băng hà, 22% trong nước ngầm, 1% còn lại trong sông, hồ, biển 18
18. nội địa và độ ẩm trong đất. Nước cần cho sự sống của động vật và thực vật chỉ một lượng rất nhỏ so với nước của các đại dương. Bảng 2.2 Dòng năng lượng đến và từ Trái đất × 1012 Joule/Giây Bức xạ mặt trời 173,410 Phản xạ trực tiếp 52,000 Chuyển đổi thành nhiệt 81.000 Bốc hơi 40.000 Chuyển nước trong đại dương và khí quyển 370 Quang hợp 40 Dòng nhiệt từ bên trong 35 Dòng nhiệt truyền dẫn chung 32 Núi lửa và các mạch nước nóng 3 Năng lượng thủy triều 3 Cho tới nay chu kỳ thủy văn vẫn còn là chủ đề nghiên cứu. Hình 2.8 mô tả tạm thời khối lượng nước chứa trong băng, hồ, nước ngầm cũng như nước di chuyển. Khối lượng nước trong hàng ngàn km khối là rất khó hình dung (4.1 km3 = 1mi3), nhưng sự phong phú tương đối thì dễ so sánh. Chu kỳ thủy văn là hệ thống bơm và nhỏ giọt hoạt động liên tục. Nhiệt từ mặt trời làm bốc hơi nước, trong khi thực vật thoát hơi nước vào không khí. Độ ẩm khí quyển ngưng lại và rơi xuống như tuyết hoặc nước mưa. Một số rơi xuống đất sau đó bị hút trở lại biển do trong lực như băng hà, sông, qua dòng chảy ngầm như là các nhân tố xâm thực. 19
19. Hình 2.7 Mặt trời chuyển nước vào khí quyển bởi bốc hơi và thoát hơi nước của cây. Nước khí quyển ngưng đọng và rơi xuống do trọng lực. Các dòng chảy như băng, sông suối, nước ngầm đổ trở về biển Trong phối cảnh này, các đại dương là nguồn nước nguyên thủy, khí quyển là trung gian phân phối, và đất là vật dùng. Trong hệ thống này, rất ít nước được bổ sung hoặc mất đi, nhưng do những thay đổi khí hậu, các lục địa ngang qua các vĩ độ và kinh độ, các núi nâng lên và hạ xuống, và những thay đổi lâu dài khác. Khối lượng nước này vào một thời điểm nào đó trên Trái đất có thể thay đổi từ rất phong phú đến khan hiếm. 20
20. Hình 2.8 Sự di chuyển nước qua chu kỳ thủy văn ở qui mô toàn cầu 2.5.2 Trọng lực Sự tồn tại trọng lực được tranh luận đầu tiên về mặt khoa học bởi Isaac Newton (1642-1727), một trong những thiên tài của lịch sử. Trọng lực là lực hút giữa các đối tượng. Nó là lực mà con người không có khả năng thay đổi. Nó không thể tăng lên, giảm xuống, đảo ngược hoặc phản hồi. Định luật trọng lực phát biểu rằng hai vật thể hút nhau với một lực tỷ lệ thuận với tích số khối lượng của chúng và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. G mass1 mass2 Trọng lực (g) = dis tan ce dis tan ce Ở đây G = hằng số vũ trụ. Ở một vật thể hành tinh, khối lượng hấp dẫn có thể được coi như là tập trung tại tâm của nó. Trong tranh luận về năng lượng bên trong của trái đất, chúng ta biết rằng trọng lực làm cho các vật liệu giầu sắt nóng chảy đổ vào tâm Trái đất để hình thành nhân sắt, sau 21
21. đó nhiệt bên trong giải phóng và giúp tạo ra sự phân lớp tỷ trọng trái đất. Hệ thống trọng lực của Trái đất, Mặt trăng, Mặt trời và những tương tác của chúng phát sinh năng lượng thủy triều. Sử dụng phương trình Newton để đánh giá các ảnh hưởng trọng lực Mặt trời, Mặt trăng và Trái đất đòi hỏi kiến thức về khối lượng và khoảng cách. Mặt trăng có đường kính khoảng 3.500km. Khối lượng mặt trăng chỉ bằng 1/49 khối lượng trái đất và tỷ trọng trung bình thấp nhất của Mặt trăng là 3.34, nghĩa là khối lượng của nó chỉ bằng 1/18 khối lượng Trái đất. Bằng cách so sánh, đường kính mặt Trời vào khoảng 1,395,000km, mặc dầu tỷ trọng của nó chỉ bằng ¼ tỷ trọng trái đất, khối lượng của nó lơn hơn khoảng 332,000 lần. Do sức hút trọng lực tỷ lệ thuận với khối lượng, sức hút trọng lực của mặt Trời đồ sộ làm cho sức hút Mặt Trăng tuyệt đối nhỏ. Nhưng sức hút trọng lực này bị giảm đi bởi chia cho khoảng cách nhân với khoảng cách, và Mặt Trời cách xa 1,500 triệu km. Như vậy sức hút trọng lực của Mặt Trời cũng bị giảm đi bởi khoảng cách so với Mặt Trăng của chúng ta, chỉ cách khoảng 386,000km, sử dụng lực nhiều hơn trên Trái đất. Các tính toán chỉ ra rằng ảnh hưởng trọng lực của mặt Trời đối với Trái đất chỉ mạnh bằng 46% lực hút từ mặt Trăng; Như thế lực hút Mặt trăng đối với Trái đất lớn hơn hai lần lực hút của Mặt Trời. Trái đất có những ảnh hưởng của thủy triều khác thường hơn: 1) 71% bề mặt của nó bị phủ bởi các đại dương; 2) nó có chu kỳ quay dài hơn các hành tinh khác; và 3) Mặt Trăng lớn tương đối ở gần chúng ta. Những ưu thế hấp dẫn trọng lực mà chúng ta gọi là thủy triều ảnh hưởng đến mặt đất, nước và không khí có thể thấy được như sự nâng cao và hạ xuống của mặt đại dương hàng ngày. Mặt trời xuất hiện trên đỉnh đầu cứ mỗi 24 giờ, trong khi đó Mặt Trăng mất khoảng 24 giờ và 52 phút mới trở lại vị trí đỉnh đầu. Như thế Mặt Trăng di chuyển trong bầu trời tương đối với Mặt 22
22. trời. Cho nên những chỗ phồng thủy triều bị hút bởi sự di chuyển Mặt trăng trong mối liên quan với những chỗ phình thủy triều gây ra bởi mặt trời sẽ trùng nhau hai lần trong một tháng, tại trăng non và trăng rằm, lúc mà Mặt trời, Mặt trăng xếp thẳng hàng với Trái đất. Đây là thủy triều cao nhất của tháng gọi là con nước triều (tide spring). Cuối tuần đầu và tuần thứ 3 Mặt Trời và Mặt Trăng vuông góc với Trái đất, mực thủy triều thấp nhất gọi là tuần triều xuống. Những chỗ phồng thủy triều di chuyển ngang qua bề mặt Trái đất, và trong phạm vi quyển mềm cơ động và nhân Trái đất gây sự kiềm hãm ma sát quay của Trái đất. Theo định luật chuyển động Newton, sự quay của Trái đất và Mặt Trăng chậm xuống, các hành tinh di chuyển xa nhau hơn, các ngày trở nên dài hơn, và năm có ngày ít hơn. Sự chứng minh các ngày kéo dài là rõ ràng trong dữ liệu hóa thạch. Ví dụ, đếm cẩn thận những gờ tăng trưởng trong các xương san hô (tương tự các vòng cây) chỉ ra sự thêm ngày thay đổi về kích thước theo mùa trong năm. Nghiên cứu san hô tuối 370 triệu năm đã chỉ ra rằng mỗi ngày trên Trái đất vào thời gian sống của chúng dài khoảng 22 giờ và mỗi năm có 400 ngày. 2.5.3 Các va chạm Nguồn năng lượng khác của Trái đất nằm trong sự vận động quay và quĩ đạo của Trái đất. Sự vận động của Trái đất gồm: 1) sự quay hàng ngày của Trái đất quanh trục của nó; 2) sự quay hàng tháng của Trái đất-Mặt Trăng quanh tâm trọng lực chung nằm vào khoảng 4,680 km cách tâm Trái đất về phía Mặt Trăng; 3) sự vận động qũi đạo hàng năm quanh Mặt Trời-tốc độ qũy đạo vượt 108,000 km/h. Năng lượng kinetic của vận động qũy đạo khoảng 2.7 ×1033 joule. Nếu số năng lượng khổng lồ này bị thu hút vào sự va chạm với một thiên thể lớn hoặc sao chổi với tốc độ 150,000 km/h, những ảnh hưởng sẽ là thảm họa toàn cầu. 23