普林斯頓大學團隊首次成功利用地球自轉生成可測量電能,該研究成果有何重要意義?
更新于:2025-03-28 20:41:07

你還別說,如果地球自轉的動能全部拿來發電,還真不少。

7000萬億億度電!

人類足足可以用24億年。

旋轉體的動能公式為:

E_{k}=Jw^2/2

J 為轉動慣量,實心球的轉動慣量為 2 MR^2/5

E_{k}=MR^2w^2/5

其中地球品質 M=5.965×10^{24}kg ,半徑 R=6371km ,角速度 w=2\pi/86400

得,地球動能大約為: E_{k}=2.56×10^{29} J

也即,達到7000萬億億度電。

這個能量是很龐大的,人類全球發電量每年約30萬億度電,折算成發電功率為3.4×10^12 W。

容易計算出,地球動能全部轉化成電能,足足相當於人類近24億年的發電量。即便考慮只轉化33%,也可以使用8億年的時間。

人類當前能源利用功率為2×10^13 W,即便所有能源都用電能替代,也足足可以用4億年的時間。

動能耗盡,意味著地球將會停轉。

地球停轉後,將使得太陽長期直射的一面,最高溫度達到120℃左右。而太陽長期不能照射的一面,溫度低至-148℃。

由於地球相對於太陽不會完全停轉,因此這個120℃和-148℃將會隨著地球緩慢旋轉,在地表不斷輪換。

可謂是真正的冰火兩重天,沒有任何生命還能生存。

除了影響自轉,還可能影響磁場。

按照現有的理論,一般認為地球磁場與地核液態鐵鎳的流動有關:

地熱引起外核液態鐵對流運動,從而產生電流,電流進一步產生磁場。

地球磁場使得大部分太陽風發生偏轉,才使得地球成為了生命的搖籃。

通過地球自轉與磁場發電,在給地球自轉剎車的同時,也可能影響地核和磁場。

如果磁場最終會消失的話,太陽風可以直接到達地球表面,剝離臭氧層,給全球生物帶來致命打擊。沒有磁場的保護,太陽風還會進一步剝離地球大氣層,使得地球成為火星一般的死星。

火星大氣層所剩無幾,便可能是因為地核冷卻,失去磁場后,太陽風對大氣的剝離。

總之,無論地球停轉還是磁場消失,最終帶來的都是人類無法承擔的災難性後果。

但其實,哪怕我們不主動降低地球自轉,地球自轉速度也一直在不斷減慢。

由於地月潮汐效應的影響,地球的自轉速度一直在緩慢的減少。

這個剎車效應,主要由三個方面所決定:

其一方面,潮汐作用使得地表發生相對流動,地球的動能逐漸轉發成了熱能,並散失。

另一方面,潮汐作用力把地球的動能轉化成了月球的勢能,把月球越推越遠。

再一方面,整個地月系統的角速度、動量守恆,月球遠了,整個系統自然轉得也更慢了。

總之,相比起一個世紀以前,我們一天的時間已經增加了1.7毫秒。

當然,考慮到冰川、海洋等變化,地球自轉速度的減慢其實並不是均勻的。

過去8個世紀,平均每個世紀使得一天增加了2.3毫秒。

我們不妨以2.3毫秒作為均值。

那麼,每10萬年的時間,增加的時間為2.3秒。

自轉週期與角速度成反比,而動能又與角速度的平方成正比。

那麼,我們容易得發現,地球損失的動能為:

\Delta E=(1-\frac{t_{0}^{2}}{t_{1}^{2}})E_{0}=1.36×10^{25}J

如果這個動能,全部轉化成電能,足足可能讓人類使用近13萬年的時間。

13萬年>10萬年。

我們進一步驗算地球動能損失的功率為4.31××10^12W。

正好大於人類發電功率3.4×10^12。

這意味著,地月系統造成的地球動能損失,已經超過人類的發電功率。

即便考慮到人類發電使得地球自轉速度減慢加快,也需要4.5億年的時間,才會讓地球自轉速度變成30小時每天。

30小時完全在生物晝夜節律的適應範圍,考慮足夠長時間的演化,影響也並不大。

不過,由於太陽每隔1億年光度就會增加1%左右,所以一般認為最多2.5~10億年後,地球將不再適合人類生存。

也就是說,以為目前人類的電能利用來說,哪怕所有的用電都依賴地球自轉來發電,在地球不適宜人類生存之前,地球都不至於出現對人類過於不利的變化。

考慮到實際上人類可能依舊會大比例地使用水能、光能等發電(未來對地質能源的依賴可能會大大降低),地球自轉發電的最終比例,可能並不高。

如果這個比例僅僅只有總用電量的1/10,對地球自傳速度減慢的影響,還會大大降低。

也就是說,單純從地球自轉能量的角度來說,這個計劃是可行的。

但考慮到,磁場可能存在的未知變化,利用地球自轉發電,依舊可能令人類冒著一定的不可知風險。

很明顯,這是不能賭的,無論對於地球自轉,還是地球磁場,人類都毫無逆轉的能力。

退一萬步來說,地球自傳發電最終能有多大的功率密度,是否具有利用前景其實也是未知的。

就像地球接收到的太陽功率高達1.74×10^17W,這個功率是地月剎車功率以及人類發電功率的5萬倍和4萬倍。但由於能量均攤在地表,功率密度低,所以人類利用率也比較低。

個人認為,地球自傳發電,可能功率密度並不一定理想。至於前景如何,也得進一步來驗證。

真正從長遠角度來說,充分的開發太陽能以及可控核聚變技術,才是人類最核心的未來路線。

當然,即便可能欠缺實用性,單純從技術層面來說,這樣的研究也是具有意義的。