由电影《流浪地球》引发的地理知识思考

湖北

由刘慈欣同名小说改编的科幻电影《流浪地球》于2019年农历大年初一在中国内地上映，影片讲述的是2075年太阳急速衰老膨胀，短时间内包括地球在内的整个太阳系都将被太阳吞没。面对绝境，人类开启“流浪地球”计划，试图将地球推离至4.22光年外的半人马座比邻星的行星轨道，从而寻找人类新家园的故事。

一、太阳的膨胀

太阳主要由氢元素组成，其内部在高温高压的环境下，4个氢原子核经过一连串的核聚变反应，变为1个氦原子，在核聚变过程中，原子核质量出现了亏损，其亏损的质量转化成了能量。太阳因核聚变而损耗的质量，每秒钟约为400万吨。在过去的50亿年里，太阳因核聚变损耗的质量是它本身质量的0.03%。目前太阳正处于稳定的旺盛时期，但据科学家预测，大约50亿年后它中心的氢元素将随着核聚变被消耗得越来越少，形成氦核，这样太阳就处于不稳定状态，在引力的作用下，氦核开始收缩，温度急剧升高，氦会再次进行核聚变产生能量，即“氦闪”，这时外壳的氢元素就会燃烧膨胀，太阳就会变成红巨星，其体积将是现在的一百万倍。那时太阳的质量会消耗的越来越快，引力也会随之减弱，水星、金星和地球会被膨胀的太阳吞噬在内。在此之前，当太阳的氢耗尽时，地球的生物圈将会被破坏，额外增加的太阳能也将造成地球海洋的蒸发。

二、地球的内部结构与地下城

电影中讲到地球在流浪过程中没有了太阳的光照，温度会急剧下降，人类会转入距地表5千米的地下城中生活，地球内部的情况是怎样的，人类在地下城生活会遇到哪些困难呢？

根据地震波在地下不同深度传播速度的变化，一般将地球内部由外而内分为三个同心圈层：地壳、地幔和地核。地壳由坚硬的岩石组成，平均厚度为17千米，电影中的地下城就在此圈层中。地幔在莫霍界面与古登堡界面之间，其中有岩浆发源地软流层。地核深度大约在5 000千米以下，压力极高，温度高达6 000℃，且外核为液态，由此来看人类在地幔和地核中生存是完全不可能的。我国目前最深的钻井在地下8千米左右，因此电影中地下城5千米的深度是相对合理的。

然而在地下生存绝非易事。地壳内部在不停地变化，由此而产生力的作用，使地壳岩层变形、断裂、错动，于是发生地震。很多深源地震对地表的影响很小以至于人类无法察觉，但它们在地下的能力则超乎想象。地下深处更靠近岩浆的活动区，岩浆周边区域温度很高，且地质学家研究发现即使是非岩浆活动区域，深入到地壳内部，温度也会上升。目前陆地表面人类聚居区年平均气温大多在0～25℃，而在地下5千米处温度至少是现在的一倍以上，人类能适应吗？万物生长靠太阳，生活在地下城中没有恒星辐射，植物不能进行光合作用，岩石和土壤中的无机物不能转化为有机物供人类食用，人类在地球流浪的期间的食物如何解决呢？如今人类生活在地表，由于无序建设的地下设施已经严重破坏地下水系统，导致城市中时有出现地表塌陷的情况，如果建设大规模的地下城，在巨大水压下地下水容易渗入其中，也可能面临坍塌的风险。

三、地球停止了自转会怎样

电影旁白中提及“流浪地球”计划的第一步是利用行星发动机的反推力让地球停止转动，停止自转之后的地球还会平静如初吗？答案是不会！如果地球突然停止旋转，大气仍将以每小时1 770千米的速度旋转，这会将陆地上几乎所有东西清扫干净，无论是土地、岩石、建筑还是人，都会被卷入大气中。假设地球已完全停止自转，地球上的任一地点会有半年时间处于白天，半年时间处于夜晚，白天的温度将会更高，而夜间的温度会更低。一旦地球不再自转，地磁场很可能不复存在，这对于生态系统将是灭顶之灾，因为地磁场向太空延伸几万千米，能阻止太阳风和宇宙射线中的带电粒子损毁地球大气层。没有地球磁场的保护，任何生物都将暴露于宇宙射线的侵害中。地球停止自转导致离心力的变化，海洋水会向两极流动，几乎所有大陆都会被淹没，只剩赤道附近的一圈超级大陆凸显出来。赤道附近因原本的离心力大，自转停止会导致岩石圈板块坍缩，引发全球地震、火山喷发和海啸。

四、比邻星能替代太阳吗

在广阔无垠的太空中，有无数颗恒星，其中离太阳最近的一颗恒星称为比邻星，它位于半人马座，离太阳有4.2光年，相当于40万亿千米，虽说是比邻却远在天涯。比邻星与太阳相似，也是一颗恒星，但比邻星质量约为太阳质量的1/8。因为比邻星质量较小，它对外辐射的热量也相对较少，其所具有的引力也较小，用比邻星替换太阳后，若地球还是以原本的速度进行自转与公转，比邻星的引力将无法束缚地球，地球会渐渐偏离比邻星，最后甚至可能逃出本星系，流落到星系之外。研究人员发现，比邻星的能量爆发与太阳相比更加剧烈，2017年3月比邻星的一次耀斑爆发，比最强烈的太阳耀斑还要强10倍，周边行星受到的辐射比地球遭受的高出约4 000倍，对生命极为不利。

五、试题设计

材料一2019年春节上映的《流浪地球》，被称为我国第一部硬核科幻电影，影片讲述了在不远的将来太阳急速衰老膨胀，人类联合政府决定将地球驶向距离4.2光年外的半人马座比邻星的行星轨道。据报道，2016年，欧洲南方天文台发现一颗行星围绕比邻星公转，质量约是地球的1.3倍，距比邻星约750万千米，处于比邻星的宜居带上。比邻星是一颗红矮星，能量输出不稳定，常有剧烈的恒星爆发现象。

材料二影片中，人类用巨型行星发动机在赤道产生切向力，让地球的自转渐渐减慢，最终停止。一旦地球停止转动，磁场和离心力不复存在。

材料三“太阳急剧老化，最终膨胀爆炸，发生“氦闪”，会吞噬地球，地球开启星际流浪之旅，期间地球慢慢变为冰封世界，人类只能在距离地面5千米的地下城生活……”这是《流浪地球》中的场景。随着太阳的不断“燃烧”，约55亿年后，太阳的氢元素会消耗尽，内核坍缩，发生氦聚变(氦闪)，太阳大气的外层膨胀，延伸到地球或火星目前运行的轨道处，由于太阳质量下降，这两颗行星将会离太阳更远。

1.材料三中，地球可能将被“吞噬”的根本原因是

( )

A.太阳的核裂变反应 B.太阳的核聚变反应

C.日地距离较近 D.太阳的位移所致

2.“流浪地球”计划第一步是利用行星发动机的反推力让地球停止自转，其中最大的发动机布置在赤道，原因是

( )

A.赤道处的自转角速度最大

B.赤道处的太阳辐射能最强

C.赤道处离太阳最近

D.赤道处的自转线速度最大

3.下列有关“氦闪”说法正确的是

( )

A.“氦闪”使太阳温度持续升高

B.“氦闪”发生时地球上的罗盘能正确指示方向

C.“氦闪”是氢原子聚变成氦原子过程最剧烈的体现

D.“氦闪”可能导致地球上出现热浪、地震等自然灾害

4.根据材料一和所学知识，推测分析比邻星宜居带上存在生命的条件。

5.根据材料二和所学知识，分析说明地球停止自转后，地球环境的变化。

6.阅读材料三，并结合所学知识推测人类主要生活在“地下城”面临的问题。

【试题解析】

1.目前太阳大气成分中有约四分之三的氢，四分之一的氦，随着核聚变的不断进行(即材料中所说的“燃烧”)，四个氢原子变成一个氦原子，氢不断转变为氦，氦气在太阳核心区域聚集，将产生更高的温度和压力，使得内部向外膨胀的力量越来越大。

2.地球的自转速度分为线速度和角速度，角速度除两极外各处均为15°/h，自转线速度是从赤道向两极递减的，因此要使地球自转停止，需要在赤道附近安装功率最大的反向推力发动机。

3.太阳到了末期之后，内部的氢元素消耗得差不多，留下富含氦的核心，内部的高温高压会激发氦元素的聚变，这个时候的太阳就会发生“氦闪”，失控的核反应能很快地使恒星产生数万甚至数亿倍于平时的能量，陡增的能量瞬间释放出来，其剧烈程度如同爆炸，吹出巨大的热浪会横扫整个太阳系，引发地球上磁场强烈扰动、产生地震等灾害，“氦闪”发生后太阳的能量几乎消耗殆尽，太阳系归于一片黑暗。

4.分析条件类综合题要从正反两个角度作答。从材料中可看出，该行星位于恒星比邻星的宜居带上，可推知其与比邻星的距离适中，有适宜的温度条件，有利于液态的存在，其质量与地球相当，有利于形成大气层。但比邻星输出能量不稳定，不利于为该行星创造较好的外部环境，容易使行星上产生气象和地质灾害等。

5.首先会因离心力的变化，液态的海洋水会向两极流动，从而造成几乎所有大陆都会被淹没。赤道附近因离心力缺少，会导致岩石圈板块坍缩，引发全球地震、火山喷发和海啸。其次，因为没有了转动，地球昼夜更替周期变长，背离太阳的一面，会因为长期得不到太阳辐射，地表温度变的很低，不适合生命的存在，面向太阳的一侧温度高，地表温差增大，气压梯度力增大，加之大气的惯性，在自转停止后，地表风力会在较短时间内加大，严重破坏地表环境。再次，地球磁场可能会消失，太阳风将会不受任何阻碍，可长驱直入进入地球大气层，会在全球范围内形成极光，随后的一段时间内地球大气有可能逐渐消耗殆尽。

6.地球在流浪过程中宇宙环境急剧变化，会导致地球上的火山、地震、海啸等灾害陡增，生活在地下面临地质灾害的威胁。地下城面积大，建设地下城使地下水系统遭到严重破坏，渗水问题挑战着地下城的运转。地下城环境封闭，缺少恒星辐射，地表生态系统难以移植到地下，人类的生命健康也面临考验。地壳深处更靠近岩浆活动区域，温度高，人类难以生存。

【参考答案】1.B 2.D 3.D

4.有利条件：与恒星距离适中，有适宜的温度条件；体积和质量适中，其引力可以使大量气体聚集在行星周围形成大气层；适宜的温度有利于液态水的存在。

不利条件：恒星状态不稳定，辐射能不稳定，加剧了行星上的自然灾害，威胁到生命的生存。

5.离心力减小，海洋水向极地流动；离心力缺少，导致岩石圈板块坍缩，引发全球地震、火山喷发和海啸；地球昼夜更替周期变为一年，地表温差增大，不适合生命的存在；地球磁场消失，太阳射线和宇宙射线增强，地表环境恶化；由于惯性作用和气压梯度力增大影响，风力将在较短时间内增大，破坏地表环境。