由電影《流浪地球》引發(fā)的地理知識思考

湖北

由劉慈欣同名小說改編的科幻電影《流浪地球》于2019年農(nóng)歷大年初一在中國內(nèi)地上映，影片講述的是2075年太陽急速衰老膨脹，短時間內(nèi)包括地球在內(nèi)的整個太陽系都將被太陽吞沒。面對絕境，人類開啟“流浪地球”計劃，試圖將地球推離至4.22光年外的半人馬座比鄰星的行星軌道，從而尋找人類新家園的故事。

一、太陽的膨脹

太陽主要由氫元素組成，其內(nèi)部在高溫高壓的環(huán)境下，4個氫原子核經(jīng)過一連串的核聚變反應(yīng)，變?yōu)?個氦原子，在核聚變過程中，原子核質(zhì)量出現(xiàn)了虧損，其虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成了能量。太陽因核聚變而損耗的質(zhì)量，每秒鐘約為400萬噸。在過去的50億年里，太陽因核聚變損耗的質(zhì)量是它本身質(zhì)量的0.03%。目前太陽正處于穩(wěn)定的旺盛時期，但據(jù)科學(xué)家預(yù)測，大約50億年后它中心的氫元素將隨著核聚變被消耗得越來越少，形成氦核，這樣太陽就處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在引力的作用下，氦核開始收縮，溫度急劇升高，氦會再次進行核聚變產(chǎn)生能量，即“氦閃”，這時外殼的氫元素就會燃燒膨脹，太陽就會變成紅巨星，其體積將是現(xiàn)在的一百萬倍。那時太陽的質(zhì)量會消耗的越來越快，引力也會隨之減弱，水星、金星和地球會被膨脹的太陽吞噬在內(nèi)。在此之前，當(dāng)太陽的氫耗盡時，地球的生物圈將會被破壞，額外增加的太陽能也將造成地球海洋的蒸發(fā)。

二、地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與地下城

電影中講到地球在流浪過程中沒有了太陽的光照，溫度會急劇下降，人類會轉(zhuǎn)入距地表5千米的地下城中生活，地球內(nèi)部的情況是怎樣的，人類在地下城生活會遇到哪些困難呢？

根據(jù)地震波在地下不同深度傳播速度的變化，一般將地球內(nèi)部由外而內(nèi)分為三個同心圈層：地殼、地幔和地核。地殼由堅硬的巖石組成，平均厚度為17千米，電影中的地下城就在此圈層中。地幔在莫霍界面與古登堡界面之間，其中有巖漿發(fā)源地軟流層。地核深度大約在5 000千米以下，壓力極高，溫度高達6 000℃，且外核為液態(tài)，由此來看人類在地幔和地核中生存是完全不可能的。我國目前最深的鉆井在地下8千米左右，因此電影中地下城5千米的深度是相對合理的。

然而在地下生存絕非易事。地殼內(nèi)部在不停地變化，由此而產(chǎn)生力的作用，使地殼巖層變形、斷裂、錯動，于是發(fā)生地震。很多深源地震對地表的影響很小以至于人類無法察覺，但它們在地下的能力則超乎想象。地下深處更靠近巖漿的活動區(qū)，巖漿周邊區(qū)域溫度很高，且地質(zhì)學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)即使是非巖漿活動區(qū)域，深入到地殼內(nèi)部，溫度也會上升。目前陸地表面人類聚居區(qū)年平均氣溫大多在0～25℃，而在地下5千米處溫度至少是現(xiàn)在的一倍以上，人類能適應(yīng)嗎？萬物生長靠太陽，生活在地下城中沒有恒星輻射，植物不能進行光合作用，巖石和土壤中的無機物不能轉(zhuǎn)化為有機物供人類食用，人類在地球流浪的期間的食物如何解決呢？如今人類生活在地表，由于無序建設(shè)的地下設(shè)施已經(jīng)嚴重破壞地下水系統(tǒng)，導(dǎo)致城市中時有出現(xiàn)地表塌陷的情況，如果建設(shè)大規(guī)模的地下城，在巨大水壓下地下水容易滲入其中，也可能面臨坍塌的風(fēng)險。

三、地球停止了自轉(zhuǎn)會怎樣

電影旁白中提及“流浪地球”計劃的第一步是利用行星發(fā)動機的反推力讓地球停止轉(zhuǎn)動，停止自轉(zhuǎn)之后的地球還會平靜如初嗎？答案是不會！如果地球突然停止旋轉(zhuǎn)，大氣仍將以每小時1 770千米的速度旋轉(zhuǎn)，這會將陸地上幾乎所有東西清掃干凈，無論是土地、巖石、建筑還是人，都會被卷入大氣中。假設(shè)地球已完全停止自轉(zhuǎn)，地球上的任一地點會有半年時間處于白天，半年時間處于夜晚，白天的溫度將會更高，而夜間的溫度會更低。一旦地球不再自轉(zhuǎn)，地磁場很可能不復(fù)存在，這對于生態(tài)系統(tǒng)將是滅頂之災(zāi)，因為地磁場向太空延伸幾萬千米，能阻止太陽風(fēng)和宇宙射線中的帶電粒子損毀地球大氣層。沒有地球磁場的保護，任何生物都將暴露于宇宙射線的侵害中。地球停止自轉(zhuǎn)導(dǎo)致離心力的變化，海洋水會向兩極流動，幾乎所有大陸都會被淹沒，只剩赤道附近的一圈超級大陸凸顯出來。赤道附近因原本的離心力大，自轉(zhuǎn)停止會導(dǎo)致巖石圈板塊坍縮，引發(fā)全球地震、火山噴發(fā)和海嘯。

四、比鄰星能替代太陽嗎

在廣闊無垠的太空中，有無數(shù)顆恒星，其中離太陽最近的一顆恒星稱為比鄰星，它位于半人馬座，離太陽有4.2光年，相當(dāng)于40萬億千米，雖說是比鄰卻遠在天涯。比鄰星與太陽相似，也是一顆恒星，但比鄰星質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的1/8。因為比鄰星質(zhì)量較小，它對外輻射的熱量也相對較少，其所具有的引力也較小，用比鄰星替換太陽后，若地球還是以原本的速度進行自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)，比鄰星的引力將無法束縛地球，地球會漸漸偏離比鄰星，最后甚至可能逃出本星系，流落到星系之外。研究人員發(fā)現(xiàn)，比鄰星的能量爆發(fā)與太陽相比更加劇烈，2017年3月比鄰星的一次耀斑爆發(fā)，比最強烈的太陽耀斑還要強10倍，周邊行星受到的輻射比地球遭受的高出約4 000倍，對生命極為不利。

五、試題設(shè)計

材料一2019年春節(jié)上映的《流浪地球》，被稱為我國第一部硬核科幻電影，影片講述了在不遠的將來太陽急速衰老膨脹，人類聯(lián)合政府決定將地球駛向距離4.2光年外的半人馬座比鄰星的行星軌道。據(jù)報道，2016年，歐洲南方天文臺發(fā)現(xiàn)一顆行星圍繞比鄰星公轉(zhuǎn)，質(zhì)量約是地球的1.3倍，距比鄰星約750萬千米，處于比鄰星的宜居帶上。比鄰星是一顆紅矮星，能量輸出不穩(wěn)定，常有劇烈的恒星爆發(fā)現(xiàn)象。

材料二影片中，人類用巨型行星發(fā)動機在赤道產(chǎn)生切向力，讓地球的自轉(zhuǎn)漸漸減慢，最終停止。一旦地球停止轉(zhuǎn)動，磁場和離心力不復(fù)存在。

材料三“太陽急劇老化，最終膨脹爆炸，發(fā)生“氦閃”，會吞噬地球，地球開啟星際流浪之旅，期間地球慢慢變?yōu)楸馐澜纾祟愔荒茉诰嚯x地面5千米的地下城生活……”這是《流浪地球》中的場景。隨著太陽的不斷“燃燒”，約55億年后，太陽的氫元素會消耗盡，內(nèi)核坍縮，發(fā)生氦聚變(氦閃)，太陽大氣的外層膨脹，延伸到地球或火星目前運行的軌道處，由于太陽質(zhì)量下降，這兩顆行星將會離太陽更遠。

1.材料三中，地球可能將被“吞噬”的根本原因是

( )

A.太陽的核裂變反應(yīng) B.太陽的核聚變反應(yīng)

C.日地距離較近 D.太陽的位移所致

2.“流浪地球”計劃第一步是利用行星發(fā)動機的反推力讓地球停止自轉(zhuǎn)，其中最大的發(fā)動機布置在赤道，原因是

( )

A.赤道處的自轉(zhuǎn)角速度最大

B.赤道處的太陽輻射能最強

C.赤道處離太陽最近

D.赤道處的自轉(zhuǎn)線速度最大

3.下列有關(guān)“氦閃”說法正確的是

( )

A.“氦閃”使太陽溫度持續(xù)升高

B.“氦閃”發(fā)生時地球上的羅盤能正確指示方向

C.“氦閃”是氫原子聚變成氦原子過程最劇烈的體現(xiàn)

D.“氦閃”可能導(dǎo)致地球上出現(xiàn)熱浪、地震等自然災(zāi)害

4.根據(jù)材料一和所學(xué)知識，推測分析比鄰星宜居帶上存在生命的條件。

5.根據(jù)材料二和所學(xué)知識，分析說明地球停止自轉(zhuǎn)后，地球環(huán)境的變化。

6.閱讀材料三，并結(jié)合所學(xué)知識推測人類主要生活在“地下城”面臨的問題。

【試題解析】

1.目前太陽大氣成分中有約四分之三的氫，四分之一的氦，隨著核聚變的不斷進行(即材料中所說的“燃燒”)，四個氫原子變成一個氦原子，氫不斷轉(zhuǎn)變?yōu)楹ぃ庠谔柡诵膮^(qū)域聚集，將產(chǎn)生更高的溫度和壓力，使得內(nèi)部向外膨脹的力量越來越大。

2.地球的自轉(zhuǎn)速度分為線速度和角速度，角速度除兩極外各處均為15°/h，自轉(zhuǎn)線速度是從赤道向兩極遞減的，因此要使地球自轉(zhuǎn)停止，需要在赤道附近安裝功率最大的反向推力發(fā)動機。

3.太陽到了末期之后，內(nèi)部的氫元素消耗得差不多，留下富含氦的核心，內(nèi)部的高溫高壓會激發(fā)氦元素的聚變，這個時候的太陽就會發(fā)生“氦閃”，失控的核反應(yīng)能很快地使恒星產(chǎn)生數(shù)萬甚至數(shù)億倍于平時的能量，陡增的能量瞬間釋放出來，其劇烈程度如同爆炸，吹出巨大的熱浪會橫掃整個太陽系，引發(fā)地球上磁場強烈擾動、產(chǎn)生地震等災(zāi)害，“氦閃”發(fā)生后太陽的能量幾乎消耗殆盡，太陽系歸于一片黑暗。

4.分析條件類綜合題要從正反兩個角度作答。從材料中可看出，該行星位于恒星比鄰星的宜居帶上，可推知其與比鄰星的距離適中，有適宜的溫度條件，有利于液態(tài)的存在，其質(zhì)量與地球相當(dāng)，有利于形成大氣層。但比鄰星輸出能量不穩(wěn)定，不利于為該行星創(chuàng)造較好的外部環(huán)境，容易使行星上產(chǎn)生氣象和地質(zhì)災(zāi)害等。

5.首先會因離心力的變化，液態(tài)的海洋水會向兩極流動，從而造成幾乎所有大陸都會被淹沒。赤道附近因離心力缺少，會導(dǎo)致巖石圈板塊坍縮，引發(fā)全球地震、火山噴發(fā)和海嘯。其次，因為沒有了轉(zhuǎn)動，地球晝夜更替周期變長，背離太陽的一面，會因為長期得不到太陽輻射，地表溫度變的很低，不適合生命的存在，面向太陽的一側(cè)溫度高，地表溫差增大，氣壓梯度力增大，加之大氣的慣性，在自轉(zhuǎn)停止后，地表風(fēng)力會在較短時間內(nèi)加大，嚴重破壞地表環(huán)境。再次，地球磁場可能會消失，太陽風(fēng)將會不受任何阻礙，可長驅(qū)直入進入地球大氣層，會在全球范圍內(nèi)形成極光，隨后的一段時間內(nèi)地球大氣有可能逐漸消耗殆盡。

6.地球在流浪過程中宇宙環(huán)境急劇變化，會導(dǎo)致地球上的火山、地震、海嘯等災(zāi)害陡增，生活在地下面臨地質(zhì)災(zāi)害的威脅。地下城面積大，建設(shè)地下城使地下水系統(tǒng)遭到嚴重破壞，滲水問題挑戰(zhàn)著地下城的運轉(zhuǎn)。地下城環(huán)境封閉，缺少恒星輻射，地表生態(tài)系統(tǒng)難以移植到地下，人類的生命健康也面臨考驗。地殼深處更靠近巖漿活動區(qū)域，溫度高，人類難以生存。

【參考答案】1.B 2.D 3.D

4.有利條件：與恒星距離適中，有適宜的溫度條件；體積和質(zhì)量適中，其引力可以使大量氣體聚集在行星周圍形成大氣層；適宜的溫度有利于液態(tài)水的存在。

不利條件：恒星狀態(tài)不穩(wěn)定，輻射能不穩(wěn)定，加劇了行星上的自然災(zāi)害，威脅到生命的生存。

5.離心力減小，海洋水向極地流動；離心力缺少，導(dǎo)致巖石圈板塊坍縮，引發(fā)全球地震、火山噴發(fā)和海嘯；地球晝夜更替周期變?yōu)橐荒?，地表溫差增大，不適合生命的存在；地球磁場消失，太陽射線和宇宙射線增強，地表環(huán)境惡化；由于慣性作用和氣壓梯度力增大影響，風(fēng)力將在較短時間內(nèi)增大，破壞地表環(huán)境。