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地球上的水来源之谜

未解之谜 2018-05-06 13:45

地球上的水来自哪里?对于天文学家来说,要回答这个问题,可以借用唐代大诗人李白的一句诗:“君不见,黄河之水天上来”——是天上的彗星撞击给地球带来了水。可是,地质学家却另有自己的答案——是火山爆发给地面上送来了水。这两家似乎都只诉说着自己的一家之言,无意否定另一家的说法。那么,我们是否可以结合两家之言,说地球上的水,既来自天上,又来自地下?

从地球的起源谈起

无论地球上的水来自天上还是地下,我们必须要从地球的起源开始谈起。

地球是随着太阳系的形成而诞生的。太阳系形成于一个原始的太阳星云,星云的成分是气体和尘埃。尘埃是多种分子结合构成的颗粒,包括很多水和水冰分子,气体的主要成分是氢。

星云是形成恒星的摇篮。星云的物质分布不均匀,有些地方比较密集一点,物质越密集引力越大,于是形成一个凝聚中心,吸引周围的物质不断向它汇聚。随着中心的物质越来越多,它的温度也逐渐升高,温度升高到700万K的时候,就会触发热核反应,就是由4个氢原子核聚变成为一个氦原子核,在这个过程中会产生大量的光和热。恒星演化进入了主序阶段,形成一颗稳定的恒星。我们的太阳就是约在50亿年以前,在一个原始星云里面形成的。

星云里还有很多物质,这些物质在围绕着中心质量旋转,慢慢地凝聚起来,成为一个个小颗粒,这些小颗粒称为星子。星子有的是石块;有的是冰块,也就是水。然后这些星子再进一步结合起来,形成了一系列行星,围绕中心的恒星旋转。我们的地球连同其它行星大约在46亿年以前。

46亿年前地球诞生以后,经过漫长的演化历史,才成为我们现在这个样子。地球演化在早期阶段,经历了三个过程:引力收缩、小天体撞击和放射性元素的衰变。在引力收缩前,它的体积比现在的大,收缩后变得比较小了。在收缩过程中,地球的温度增高,放射性元素衰变的过程也会产生巨大热量,使地球增温;小天体暴风骤雨般的轰击也把地球加热,这些小天体是一些原来没有结合成行星的星子所构成的小行星或彗星。这三个过程使地球温度升高了,成为熔融的状态。

在熔融状态下,地球里密度较大的物质,例如铁、镍、铜、金、银等金属就沉下去,沉到地球的中心。地球中心有一个铁核,就是那个时候形成的。硅酸盐密度较低,漂在上面,它的外层冷却以后成为坚硬的地壳。地球在熔融状态下经历的这种重沉轻浮的变动称为分异过程。地壳是由岩石构成的,内层岩石的主要成分就是硅酸盐,至于外层岩石的成分则与火山喷发有关。

彗星之水与火山之水

地球在形成后的最初3到4亿年里,由于太阳系里面还有许多小星子没有结合为行星,它们中一部分会掉落到地球上,这就是小天体撞击。这些小天体主要是小行星和彗星。彗星本身主要是由水冰构成的。撞击的结果就在地球表面形成密密麻麻的陨击坑,也带来了大量的水分。

地球上早期的陨击坑,因为地球上空气和水的循环流动,使它们遭受到风化作用,慢慢地侵蚀消失了。此外,地球上大规模的地质活动,如造山运动、冰川运动等,也使许多陨击坑面目全非。现在,我们在地球表面也能发现一些陨击坑,但是不多见了。一个著名的例子是美国亚利桑那州的巴林杰陨击坑,这个陨击坑的直径有1200米,深度有180米。这次撞击的历史不长,估计是4万年以前,所以还没有消蚀掉。时代太远的陨击坑就看不到了。彗星带来的水留在地球上,大海大江里的水有很大一部分是由彗星带来的。彗星带来的水形成了地球之水的一部分。

地球早期的时候地壳是很薄的,在小天体不断撞击它时,有的地方就破了。地壳破裂,地壳底下熔融的岩浆就喷发出来。所以在地球的早期曾经有一个很长的时期,那时有大量的火山喷发。到处都是一撞一个坑,紧接着就是火山喷发了。火山喷发,岩浆流从火山口汹涌冒出,使原始地壳的厚度迅速增加,改变了原始地壳的成分和结构,奠定了地壳外层的岩石基础。

火山喷发的时候,除了流出岩浆,还释放大量气体,以水蒸汽为主,其含量常达60%以上,此外有二氧化碳、硫化物(硫化氢、二氧化硫等),以及少量一氧化碳、氢气、氯化氢(盐酸)、氨气、氟化氢(氢氟酸)等。火山喷发的气体量往往很大,如1912年阿拉斯加的卡特曼火山喷发的气体中,仅盐酸就多达125万吨,氢氟酸达20万吨。地球是由无数星子结合形成的,许多星子本身就是一个一个的水粒,它们都包裹在地幔里面。地壳把地幔包起来,里面很多水分,通过火山爆发释放到地面。我们说水还来自地下,这个地下是什么?就是说的火山爆发。火山爆发把水送出来。当然归根结底还是从天上来的,本来在太空中的水,包含进地球里面,到地壳底下去了。在我们看来,地壳底下的水通过火山爆发又被输送到地面上来了。

遍布水的太阳系

水在太阳系存在是很多的,就像陨击坑遍布在所有硬壳天体上一样。应该说地球早期遭遇的经历,这些天体都遭遇过。

地球与太阳系其它行星,差不多同时形成,它们当时的条件也类似。在水星上,我们可以看到有很多陨击坑,陨击坑当然也由小行星和彗星撞击出来的。但是水星现在没有水。一个原因是它的质量小,于是引力也小,它的引力不足以把大量的水都吸引住,水很容易蒸发掉。另外还有一个很重要的原因,就是它离太阳近,表面温度很高。白天太阳照射的时候温度最高可以达到477度,当然所有的水分都蒸发掉了。可见,水星本来应该与地球一样是有水的,但是早就蒸发掉了。

金星有很厚的云层,它的大气非常浓密,表面大气压是地球大气压的91倍。但是它的大气成份96%是二氧化碳,还有少量的氮、氧等。金星上面也是会有水的,它的水的来源应该也是一样的。

火星上面也是有水的,可以说天文学家早就发现了。从望远镜去看火星,能看见它的极冠。夏天的时候极冠缩小,冬天的时候极冠变大。极冠的颜色是白的。它里面既有水冰,也有干冰,干冰就是固态二氧化碳。因为火星表面的温度要比地球低很多,在那里二氧化碳结成了冰

已经在火星表面发现了许多干涸的河床。过去肯定有过大量的水,正是水的流动和冲刷形成了河床。但是现在这些河床没有水了,水到哪里去了呢?可能一部分蒸发掉了。火星比地球小得多,它的引力也小得多,时间一长,它就不能保持水分。另外还有一种可能性:水渗透到地下去了,或者说火星可能有地下水。

美国的“机遇”号火星探测器拍摄到了冰、尘土和岩石混合的火星表面。美国宇航局副局长惠勒尔宣布:“漫游车‘机遇’号的探测结果显示,它的着陆区域表面曾被液态水浸透,这个区域适合生命居住!”水是生命存在的必要条件,有水就有可能存在生命。所以火星探测的一个很重要目标就是要探测火星的水。

科学家认为,在火星两极地区水分(均以冰的形态存在)相当多,中高纬地区比较多,可是在赤道两边就几乎没有了。赤道区域阳光可以直射,水分容易蒸发掉,所以不容易保留水分。

木星是一个气态巨行星,在它的大气里面存在氢、氦,也有少量的水、氨、甲烷和一氧化碳等。

土星的条件与木星非常相似,它也是一个气态巨行星。它的大气里面主要也是氢和氦,也有少量的一氧化碳、水蒸汽和碳氢化合物。土星有一个明亮的光环,是由大大小小的团块构成的。这些团块有的是岩石,有的是岩石外面包着一层冰,更大量的是冰块。土星光环之所以非常明亮,就是因为它含有的大量冰,可以强烈地反射阳光。

天王星大气的主要成份也是氢和氦,其次是甲烷,也有少量的水汽。它的大气下面有一个结成冰的表面。天王星的中心有一个核,可能是由岩石和冰构成的。

海王星与天王星十分相似。它的大气与天王星的一样,它的表面也是冰,这些冰包含水冰、干冰、甲烷冰等等。它的里面也可能有一个冰和岩石构成的核。

太阳系里许多大卫星上面也有水。

长期以来,人们曾经认为月亮上面是没有水的。1994年美国向月球发射了“克莱门汀”号探测器,成为环绕月球的卫星。在1997年下半年的时候,它发回了一张月球南极地区的雷达图像。美国科学家经过分析以后,认为图像上反映出月球的南极地区表面有水冰。为了进一步证实这个发现,1998年初美国发射了“月球全球勘探者”号探测器,专门去探测月球表面的水分。随后证实,不只在月球的南极有水,在北极也有水。这些水是完全结成冰的,而且月球表面的水冰呈现为很小的颗粒,跟尘土混合在一起。

在月球两极的大环形山底部,终年不见阳光,温度很低,达零下230度,所以水不会蒸发。至于在月球的其它地方,在阳光照射下温度可高达零上122度,水是很容易蒸发掉的。所以只有月球的两极可能存在水冰。这些水的来源,也是早期彗星撞击后留存下来的。

木星有4个大卫星。木卫一上有火山爆发。木卫二比月亮小一点,半径约1500千米,它的表面结了厚厚的一层冰,冰层的厚度有十来千米,几乎包围了整个表面。冰层下有几十千米深的海洋。天文学家推测在木卫二的海洋里可能有初等的生命形态存在。木卫三是太阳系里最大的卫星,直径达5300千米,比水星还大。它的情况与木卫二一样,表面覆盖着厚厚的冰层,厚度达到了70千米。木卫四的情况也类似,它的表面也有几十千米厚的冰层。

土星的卫星里土卫六最大,其它卫星都比较小。如果卫星太小,不太可能保留水,因为它引力小,水容易蒸发掉。土卫六是太阳系里的第二大卫星,直径约4900千米,也比水星大。它上面主要是甲烷、氮等气体,也有少量的水。

天王星的卫星也很多,目前发现了27个,但是只有5个比较大。这5个卫星表面也都覆盖了冰。

海王星的卫星现在发现了13个,海卫一最大,半径一千多千米,也是有水的。它的表面有间歇性喷发的喷泉。

再向外是柯伊伯带和奥尔特云。它们被称为“彗星的仓库”。柯伊伯带是离太阳40天文单位到100天文单位的一个区域。奥尔特云就更远了,在3000到5万天文单位之间。柯伊伯带像一个细细窄窄的面包圈,围绕在太阳系的外缘。奥尔特云则像一个球形的壳层,包裹着整个太阳系。在柯伊伯带和奥尔特云里有无数个彗星,大大小小围绕着太阳旋转。有极少数的轨道深入到太阳系的内部,当飞近太阳的时候,生出长长的彗尾,形成高挂在星空上的“扫帚星”。彗星是由多种易挥发物质,其中主要是水在低温下凝结成的冰雪,混合着尘埃组成的,被形象地称为“脏雪球”。冥王星、阋神星等若干矮行星位于柯伊伯带之内,它们的表面也覆盖着冰雪,自然也包含着水冰。

火山之水的佐证

对整个太阳系巡视得到的结果,足以作为水来自天上的佐证。那么地质学家是否也有证据证明从火山喷出的水留在地面上了呢?答案是肯定的。

极早时期的地球表面是无水的。在35亿年前的太古宙初期,开始发现有水的证据。例如,科拉半岛上的片麻岩,据同位素年代测定,距今35亿年,内含有石英岩透镜体。石英岩的原岩是砂岩,是在水体环境中沉积生成的。此外,在南非35亿年前的变质岩系中,也发现了由沉积而成的钙硅质岩层。既然35亿年前能汇聚成足以形成沉积岩的水域条件,人们推测,在40亿年前地球表面无疑已出现水。但当初的水量还很少,估计只有现在的10%。到太古宙晚期(约25亿年前),沉积岩普遍出现,估计当时的水量可达现在的70%。初期由火山喷发而形成的水体,溶有不少酸性气体,故由火山喷出的水应是酸性的,pH值大约在5~6之间,后来才慢慢变为弱碱性。这一点,可从太古宙晚期出现广泛的碳酸盐类沉积物得到证明。

那么,天上和地下各为地面上的水贡献了多少呢?在天文学家和地质学家还各执一词的今天,即使都没有形成偏见,也难于回答这个问题。看来有待于天文学家与地质学家通力合作,联合攻关,才能找到这个问题的正确答案。

地球水与人类

地球上的水,以气态、固态、液态3种形式存在于大气、海洋、河流、湖泊、沼泽、土壤、冰川、永久冻土、地壳深处以及动植物体内。它们相互转化,共同组成一个包围地球的水圈,总水量有14亿立方千米。海洋占了地球表面的70%。

水并不是静止的,它在运动,水的循环对于生物的繁荣和人类社会的发展非常重要。促使水循环的动力是太阳的辐射。太阳辐射加热水,水蒸发到空中形成了云。然后,云里的这些水汽凝结成雨、雪、雹下到地面,或流到地下,或流到海洋。地球上的水就是这样往复变化着,这个过程就是自然界的水循环。它可以使地球上各种水体进行自然更新,并使海洋水、陆地水、地下水保持相对平衡状态。另外还有一个循环,是在海洋里面进行的。水在海洋里进行一种大规模的、相对稳定的流动,是海水重要的普遍运动形式之一。重要的海流有环太平洋海流、环大西洋海流、墨西哥湾海流、环北冰洋海流、环印度洋海流等。

当代全球有十大环境问题;大气污染、温室效应、臭氧层破坏、土地沙漠化、海洋生态危机、森林锐减、物种濒危、垃圾难题、人口增长过速。简单说,就是资源、环境、人口三大问题,它们一直困扰着人类的生存和发展,特别是发展中国家情况更为严重,而这些问题几乎都与地球上的水有关。城市的人口密度大,工业集中,水的供需矛盾十分尖锐。世界各国的大中城市都不同程度地存在着缺水问题。例如,中国已有154个城市缺水,仅14个沿海开放城市,每天缺水就达300万立方米,给城市人民生活带来了困难和不便,严重影响社会的可持续发展。对自然资源过度地开发和利用,造成了生态平衡的严重破坏,森林、草原明显减少,土地沙漠化与盐渍化,水土流失严重,许多地方的气候也变得越来越恶劣。工业生产把大量深埋在地下的矿物采掘出来,在许多工业产品的生产和消费中,产生大量的废气、废水、废渣,对环境造成污染。随着温室气体的大量排放和环境污染的日益加重,地球的温室效应也日趋明显,平均气温不断升高,导致冰雪消融,海平面上升。这已经威胁到了沿海地区和一些岛屿的人类生活甚至生存。

地球是太阳系中唯一具有高等生命的星球。刻不容缓地保护地球环境,节约地球上有限的水资源,让地球恢复为山青水秀、空气洁净、草木葱茏、鸟语花香的宜居乐园,已经成为各国有识之士的强烈共识。

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