地热能即蕴藏在地球内部的大量热能。在有火山活动的板块交接地带常有高温的地热发生,除了板块交接地带之外,大部分地区离地面每下探一公里，温度约增加25—30℃。关于地热的来源,有多种假说。一般认为,地热主要来源于地球内部放射性元素蜕变放热能,其次是地球自转产生的旋转能以及重力分异、化学反应,岩矿结晶释放的热能等。在地球形成过程中,这些热能的总量超过地球散逸的热能形成巨大的热储量,使地壳局部熔化形成岩浆作用、变质作用。

其中,地热的来源约有80%来自放射性元素衰变时所释放出的能量,在地球内主要产生热量的同位素有K40、U238,U235、Th232,地壳就如同绝缘体将其热量包含其中,在地球中心的温度可高达6000K。离地球表面5000m深,15℃以上的岩石和液体的总含热量,据推算约为14.5*1025J,约相当于4948万亿吨标准煤的热量。既然是放射性元素的衰变,那总有能量用完的一天吧!

在正式回答这个问题前,我想先回答两个问题，第一个问题,是关于地球自转能量来自哪里?目前普遍被认可的有两种说法,第一种认为地球自转是由于地核内发生热核反应产生大量的能量,导致地核外岩浆围绕地核旋转,从而带动地球自转（这点符合上述地热的说明）。同时,地核外岩浆的旋转也导致了地球磁场的产生和大陆板块的运动漂移。正如太阳最终会消耗掉它所有的能量,走向衰亡一样,地球的热核反应也在逐渐减弱。从科学家研究的结果得到验证,几亿年前,地球的一年是400天,现在是365天,这表明了地球的自转正在减弱。最终,几十亿年后,地球的热核反应会停止,核外岩浆会冷却,自转也会停止,同时保护地球的磁场也会随之消失,该观点认为地球自转是应该地球内部热核反应为其提供能量。这也顺便回答了前面提到能量用完的问题!

第二种认为地球自转的能量是太阳系形成初期的角动量,只要没有外力作用,物体就会沿着原有的运动状态,如果没有摩擦力等阻力,地球就会永远运动下去。不过,这个理论被60年代的人造卫星给打败了,当初是设定让镜头固定地对准太阳并绕太阳公转可出人意料的是,卫星在太空胡翻乱滚,根本无法给太阳拍照(注)。卫星内部没有引力收缩,也没预先给定一个旋转惯量,卫星为何无故而转呢?一次次失败使科学家们对传统的太空观念产生了怀疑,太空除引力磁力之外,必然还有第三种力,不然,太空中的物体,包括地球,无故自己不会转。

第二个问题,我们也不要忽略了太阳能这部分,那地球吸收了太阳能后是否能保持能量守恒?太阳以光波的形式不间断地向地球发送能量,虽然地球也在不停地向外辐射能量,整体来说,每天地球吸收的太阳能,与辐射出地球的能量加上地热所释放出来的能量的总和,大致是保持平衡的,这样的地球才不会温度上升得太快。

那太阳照射到地球上的热量最后跑到哪里了?太阳的表面温度接近6000K,总辐射功率达到3.7*1026W(瓦特）。但是由于地球距离太阳非常遥远,因此辐射的能量经过耗散、衰减,能够被地球吸收只占太阳辐射能量非常少的一部分。经过人造卫星的测量,地球截面上单位面积接收到的平均太阳辐射功率约为1367W。它乘以地球的截面积就得到了太阳对地球辐射的总功率,约为1.7*1017瓦特。其中,地表浅层是个巨大的太阳能集热器,收集了47%的太阳能。

首先,太阳能主要用来维持地球的温度,使得地球大部分地区适宜动植物的生存。其次,它辐射的能量被植物以光合作用吸收成为自身化学能的一部分-地球上的煤炭的能量就是这么来的。第三,动物也从太阳辐射中吸收能量,比如人类吸收太阳光中的紫外线,能够促进对钙的吸收,从而长得高大魁梧,不过这一部分实在是可以忽略的。除此之外,还有一大部分的太阳光是被地球反射出去。考虑到地球外有一层厚厚的大气层地表部分又主要以海洋为主,根据估算,整个地球的反射率在38%左右。因此,从遥远太阳射到地球的光,有三分之一多是被反射到太空中的;另外一部分太阳能,则是在晚上的时候通过热辐射的形式释放出去,从而引起夜间气温的降低(辐射冷却效应)。