普林斯顿大学团队首次成功利用地球自转生成可测量电能,该研究成果有何重要意义?
更新于:2025-03-28 20:41:07

你还别说,如果地球自转的动能全部拿来发电,还真不少。

7000万亿亿度电!

人类足足可以用24亿年。

旋转体的动能公式为:

E_{k}=Jw^2/2

J 为转动惯量,实心球的转动惯量为 2 MR^2/5

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

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

得,地球动能大约为: E_{k}=2.56×10^{29} J

也即,达到7000万亿亿度电。

这个能量是很庞大的,人类全球发电量每年约30万亿度电,折算成发电功率为3.4×10^12 W。

容易计算出,地球动能全部转化成电能,足足相当于人类近24亿年的发电量。即便考虑只转化33%,也可以使用8亿年的时间。

人类当前能源利用功率为2×10^13 W,即便所有能源都用电能替代,也足足可以用4亿年的时间。

动能耗尽,意味着地球将会停转。

地球停转后,将使得太阳长期直射的一面,最高温度达到120℃左右。而太阳长期不能照射的一面,温度低至-148℃。

由于地球相对于太阳不会完全停转,因此这个120℃和-148℃将会随着地球缓慢旋转,在地表不断轮换。

可谓是真正的冰火两重天,没有任何生命还能生存。

除了影响自转,还可能影响磁场。

按照现有的理论,一般认为地球磁场与地核液态铁镍的流动有关:

地热引起外核液态铁对流运动,从而产生电流,电流进一步产生磁场。

地球磁场使得大部分太阳风发生偏转,才使得地球成为了生命的摇篮。

通过地球自转与磁场发电,在给地球自转刹车的同时,也可能影响地核和磁场。

如果磁场最终会消失的话,太阳风可以直接到达地球表面,剥离臭氧层,给全球生物带来致命打击。没有磁场的保护,太阳风还会进一步剥离地球大气层,使得地球成为火星一般的死星。

火星大气层所剩无几,便可能是因为地核冷却,失去磁场后,太阳风对大气的剥离。

总之,无论地球停转还是磁场消失,最终带来的都是人类无法承担的灾难性后果。

但其实,哪怕我们不主动降低地球自转,地球自转速度也一直在不断减慢。

由于地月潮汐效应的影响,地球的自转速度一直在缓慢的减少。

这个刹车效应,主要由三个方面所决定:

其一方面,潮汐作用使得地表发生相对流动,地球的动能逐渐转发成了热能,并散失。

另一方面,潮汐作用力把地球的动能转化成了月球的势能,把月球越推越远。

再一方面,整个地月系统的角速度、动量守恒,月球远了,整个系统自然转得也更慢了。

总之,相比起一个世纪以前,我们一天的时间已经增加了1.7毫秒。

当然,考虑到冰川、海洋等变化,地球自转速度的减慢其实并不是均匀的。

过去8个世纪,平均每个世纪使得一天增加了2.3毫秒。

我们不妨以2.3毫秒作为均值。

那么,每10万年的时间,增加的时间为2.3秒。

自转周期与角速度成反比,而动能又与角速度的平方成正比。

那么,我们容易得发现,地球损失的动能为:

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

如果这个动能,全部转化成电能,足足可能让人类使用近13万年的时间。

13万年>10万年。

我们进一步验算地球动能损失的功率为4.31××10^12W。

正好大于人类发电功率3.4×10^12。

这意味着,地月系统造成的地球动能损失,已经超过人类的发电功率。

即便考虑到人类发电使得地球自转速度减慢加快,也需要4.5亿年的时间,才会让地球自转速度变成30小时每天。

30小时完全在生物昼夜节律的适应范围,考虑足够长时间的演化,影响也并不大。

不过,由于太阳每隔1亿年光度就会增加1%左右,所以一般认为最多2.5~10亿年后,地球将不再适合人类生存。

也就是说,以为目前人类的电能利用来说,哪怕所有的用电都依赖地球自转来发电,在地球不适宜人类生存之前,地球都不至于出现对人类过于不利的变化。

考虑到实际上人类可能依旧会大比例地使用水能、光能等发电(未来对地质能源的依赖可能会大大降低),地球自转发电的最终比例,可能并不高。

如果这个比例仅仅只有总用电量的1/10,对地球自传速度减慢的影响,还会大大降低。

也就是说,单纯从地球自转能量的角度来说,这个计划是可行的。

但考虑到,磁场可能存在的未知变化,利用地球自转发电,依旧可能令人类冒着一定的不可知风险。

很明显,这是不能赌的,无论对于地球自转,还是地球磁场,人类都毫无逆转的能力。

退一万步来说,地球自传发电最终能有多大的功率密度,是否具有利用前景其实也是未知的。

就像地球接收到的太阳功率高达1.74×10^17W,这个功率是地月刹车功率以及人类发电功率的5万倍和4万倍。但由于能量均摊在地表,功率密度低,所以人类利用率也比较低。

个人认为,地球自传发电,可能功率密度并不一定理想。至于前景如何,也得进一步来验证。

真正从长远角度来说,充分的开发太阳能以及可控核聚变技术,才是人类最核心的未来路线。

当然,即便可能欠缺实用性,单纯从技术层面来说,这样的研究也是具有意义的。