地球內部真的是黏稠的岩漿嗎？
― 地函是堅硬的岩石，只是用幾百年的尺度來看，它正緩緩流動
不少人以為，地面底下是一片紅通通的熔岩海。然而，占地球體積八成以上的「地函」，其實是沒有熔化的堅硬岩石。可是人們又說它「在流動」。既然堅硬，怎麼會流動？這個看似矛盾的謎題，關鍵就在於「你用多長的時間來看」。
你一定在圖鑑上看過把地球切成一半的圖。裡面塗成橘色或紅色，看起來又熱又像是熔化的樣子。
新聞裡，從火山口湧出的鮮紅熔岩緩緩流下。很自然地，你會想：地底下一定塞滿了這種東西。
那麼，如果地面底下不深處就是液體海洋，大陸就應該是漂在上面的一片薄筏子。事實真是這樣嗎？
說「沒有熔化」，有兩個理由
有一種震動無法在液體中前進。這種震動卻能正常穿過地函，所以可以知道地函是固體。
岩石面對幾分鐘的震動，像「彈簧」一樣彈回；面對數百年以上的長久受力，則像「麥芽糖」一樣流動。誤會就出在把這兩種面貌混為一談。
所以「地函是黏稠的」只說對了一半。它不是熔化了，而是保持固體的狀態，非常緩慢地改變形狀。
地震波無法在液體中前進
地震發生時，震動會穿過地球內部，傳到遠方的觀測站。震動有兩種：一種是擠壓的震動，一種是橫向錯動的震動。
橫向錯動的震動，是靠「想把被錯開的形狀拉回原樣」的力來傳遞的。液體沒有這種力。把水橫向錯開，水只會直接流走。所以橫向錯動的震動無法在液體中前進。
實際觀測發現，這種橫向錯動的震動能正常穿過深約 2900km 的地函，到了更下方的「外核」才停下來。請看圖 1。地球內部大片呈液態的，只有外核熔化的鐵。
地函的溫度，上層約 1000℃上下，底部據說超過 3000℃。它之所以不熔化，是因為上方岩石的重量施加了極大的壓力。壓力越高，岩石越不容易熔化。
只有在這個條件被打破的地方，才會產生岩漿。例如岩石緩緩上升、壓力降低的地方，或是下沉的海洋板塊滲出水分、讓岩石變得容易熔化的地方。即使在那裡，也只是一部分岩石熔化，滲出的液體聚集起來而已，並不是一片岩漿海。
堅硬卻會流動 ― 關鍵是「看多久」
聽到堅硬的岩石會流動，會覺得奇怪。但身邊有類似的例子：雪山上的冰河是堅硬的冰，卻一天能順著山谷往下滑數十公分到數公尺。
重點是，物體都有一個「切換時間」。比這更短的受力，它會像彈簧一樣彈回；比這更久地持續推擠，它就像麥芽糖一樣流動。地函岩石的這個時間，估計約為數百年。
請用圖 2 的滑桿改變觀察的時間長度。對只持續數十秒的地震震動來說，地函只是堅硬的岩石。但在數萬年、數千萬年的尺度下，被推擠上表面的岩石會越傾越斜，再也回不到原狀。
其實有實際的證據顯示地函在流動。北歐的斯堪地那維亞半島，據說至今每年仍以最多約 1cm 的速度持續抬升。約兩萬年前，這裡壓著數公里厚的冰。被冰的重量壓得下沉的地面，在冰融化之後，隨著下方的地函流入，一點一點地回升。
人們就是從這個回升的速度，第一次估算出地函的「黏度」，那是 1935 年的事。這個值據說是水的一兆倍的一兆倍。板塊每年移動數 cm，和指甲生長的速度差不多。
在澳洲的昆士蘭大學，自 1927 年起就把一種叫「瀝青（pitch）」的焦油類物質放在漏斗裡。它硬到用鎚子一敲就會碎，漏斗尖端卻會滴下液滴。到目前為止只滴了 9 滴。瀝青的黏度據說是水的 1000 億倍以上，而地函的黏度又比它再強約一兆倍。
總結
地面底下不是熔化的岩漿海。地殼之下的地函是堅硬的岩石，地震的橫向錯動震動能夠穿過，就是證據。大片呈液態的，只有深約 2900km 以下外核的鐵。岩漿只會在地表附近壓力下降或有水加入的少數地方產生。不過，堅硬的地函若用數百年以上的時間來看，也會流動。推動板塊、讓冰融後的大地抬升的，正是這種「緩慢的流動」。
地球內部並沒有熔化。
只是以人的一生看不出來的速度，在流動著。
想知道人們如何從震動能否穿過，弄清楚地球內部的樣子，請讀沒有人能到地球中心，為什麼知道裡面的樣子？；持續加熱地函的熱量來源，請讀地球內部過了 46 億年，為什麼還沒冷卻？；岩漿噴發的機制，請看火山為什麼會噴發？
- 把市售史萊姆（或用洗衣漿做的史萊姆）揉成球，輕輕丟到桌上。你會看到它在一瞬間像球一樣微微彈起。
- 把同一顆球放在桌上，擱置約 10 分鐘。剛才還會彈的球，慢慢攤平了。
- 最後，用雙手一口氣用力拉扯。慢慢拉會拉長，快速一拉卻會像被扯斷一樣斷開。
短時間的力，它像固體；長時間的力，它像液體。史萊姆的切換時間大約只有幾秒，地函則是數百年。玩完史萊姆後，記得洗手。
想知道更多的人 ― 名詞・算式・與課本的連結明確標示從國中自然到大學專業課程，各屬於哪個程度
- 國中國中自然課會學到的範圍
- 高中高中「地球科學」「物理」會學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或課本專欄的內容
- 大學高中不會學到、大學專業課程（地球物理學・流變學）的內容
- 研究連大學也不會當作「定論」來教，目前研究者仍在探討的話題
國中名詞：這個現象有名字
- 地函：從地殼下方到深約 2900km 的岩石層，占地球體積八成以上。
- S 波（橫波）：地震震動中橫向錯動的震動，無法在液體中傳遞。擠壓的震動稱為 P 波（縱波）。
- 黏彈性：對短時間的力像彈簧、對長時間的力像液體的性質。史萊姆、冰河的冰、地函的岩石都具有這種性質。
- 冰後回彈：冰河期的厚冰消失後，原本下沉的大地緩緩抬升回來的現象。
國中高中用算式確認：地函從「固體」切換成「液體」的時間
把黏度（黏滯係數）除以硬度（剛性模數），就能得到彈簧面貌與液體面貌互換的時間。這個時間稱為馬克士威時間。符號的意義如下，單位分別是秒、帕斯卡、帕斯卡秒。
| τ | 切換的時間（馬克士威時間，單位為秒） |
| η | 黏性的強度（黏滯係數，單位為帕斯卡秒） |
| G | 對橫向錯動的硬度（剛性模數，單位為帕斯卡） |
| 用符號寫 | τ ＝ η ÷ G |
| 用文字寫 | 切換的時間 ＝ 黏性的強度 ÷ 硬度 |
| 這個式子從哪來 | 把彈簧（硬度 G）和液體阻尼器（黏度 η）串聯起來的模型（馬克士威模型）中，彈簧儲存的變形會因液體流動而逐漸釋放，由這個釋放的速度推導出來 |
| 地函的黏滯係數 η（由冰後回彈估算的值） | 約 1×10 的 21 次方 帕斯卡秒 |
| 上部地函的剛性模數 G | 約 7×10 的 10 次方 帕斯卡 |
| 1 年的長度 | 約 3154 萬 秒 |
| 地函對流的速度（和板塊速度差不多） | 每年 約 5 cm |
| τ 的數字部分（1 ÷ 7） | 1 ÷ 7 ≒ 0.143 |
| τ 的「10 的幾次方」部分（21 − 10） | 21 − 10 ＝ 11 |
| 合起來 0.143×10 的 11 次方 秒 ＝ 約 143 億秒。換算成年 | 14300000000 ÷ 31540000 ≒ 453 |
| 地震震動（約 1 分鐘＝60 秒）是 τ 的幾分之一 | 14300000000 ÷ 60 ≒ 238000000 |
| 把地函厚度 2900 km 換算成 cm | 2900 × 100000 ＝ 290000000 |
| 以每年 5cm 流完這個厚度所需的年數 | 290000000 ÷ 5 ＝ 58000000 |
| 這個年數是 τ（453 年）的幾倍 | 58000000 ÷ 453 ≒ 128000 |
切換的時間約為 450 年。地震震動持續的時間只有它的約兩億分之一，所以地函會像彈簧一樣傳遞震動。另一方面，岩石要流完整個厚度需要約 5800 萬年，超過切換時間的 10 萬倍。在這樣的時間尺度下，地函完全展現出液體的面貌。圖 2 的數值也是使用這個 τ ＝ 約 143 億秒。
高中高中＋S 波陰影區，以及隨壓力升高的「熔點」
高中在距震源以角度計約 103 度以外的觀測點，收不到 S 波。這稱為「S 波陰影區」，被視為外核是液體的證據。相反地，S 波能正常穿過地函。這是地球科學基礎的「地球內部構造」會學到的內容。
高中＋岩石開始熔化的溫度（固相線）會隨壓力升高而變高。地函的實際溫度在任何深度都低於這條固相線，所以維持固體。在中洋脊或熱點，岩石上升、壓力降低，低於固相線的部分會熔化（減壓熔融）。在隱沒帶，則因為水的加入，固相線本身會降低。
大學馬克士威模型・地函對流・地殼均衡
對短時間的力彈回、對長時間的力流動的性質，在流變學中以黏彈性處理。最簡單的模型是把彈簧和阻尼器串聯的馬克士威模型，它的時間常數就是上面的馬克士威時間。實際的地函岩石，是透過晶體中的差排與原子擴散而緩慢變形的「固體潛變」來流動的。這種流動由受熱岩石的浮力所驅動，就是地函對流；由於瑞利數極大，即使是固體也會發生對流。黏滯係數的值，是將冰蓋消失後地殼的回升，當作趨向地殼均衡（地殼靠浮力達到平衡的狀態）的鬆弛過程來分析，由哈斯克爾在 1935 年首次估算出來。
📖 算式的推導與更進階的內容：黏彈性（維基百科） ／ 地函對流（維基百科）
研究還沒有完全弄清楚的事
- 黏度會隨深度差多少。 多數估算認為下部地函比上部地函黏數十倍，但數值範圍很寬，也認為會因地點而異。
- 地函是整體一個大對流嗎。 是在深約 660km 的交界上下分開，還是下沉的板塊一路落到底部、讓整體被攪動，仍在爭論。
- 地函底部的「巨大團塊」是什麼。 在非洲和太平洋底下，發現了震動傳得較慢的大片區域。是成分不同的岩石，還是一部分已熔化，尚無定論。
換句話說，這篇文章的內容也只是「就目前所知範圍內的說明」。沒有人直接看過地球內部，它是靠震動、重力與實驗室裡的岩石，一點一點拼湊出來的。
與課本的連結（依程度）
| 程度 | 科目・單元 | 本文哪個部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 自然科學「大地的變化」（地震波・火山） | 兩種震動，以及岩漿如何形成 |
| 高中 | 地球科學基礎「地球內部構造」 | S 波陰影區與外核、圖 1 的剖面 |
| 高中＋ | 地球科學「板塊運動・岩漿的產生」 | 固相線與減壓熔融 |
| 大學 | 地球物理學・流變學 | 馬克士威時間、地函對流、冰後回彈 |
| 研究 | 地球內部動力學 | 黏度的深度分布、對流的形態、底部的巨大團塊 |
| ― | 與生活的連結 | 史萊姆、冰河、北歐大地的抬升 |
- Haskell, N. A. (1935) The Motion of a Viscous Fluid Under a Surface Load. Physics 6, 265.
- 昆士蘭大學 數學與物理學院「Pitch Drop experiment」
- 維基百科（日文版）「マントル対流」（地函對流）
- 維基百科（日文版）「粘弾性」（黏彈性）
- 國立天文台 (国立天文台) 編『理科年表』丸善出版（地球內部構造的數值）
- Turcotte, D. L. & Schubert, G. Geodynamics, Cambridge University Press（馬克士威時間與地函的黏度）
※本文是為一般讀者撰寫的科學解說。文中數值是為了幫助理解原理的參考值與概算。地函的黏滯係數與溫度，會因深度、地點與研究而有不同範圍。