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地球上的水来自哪里? 精选

已有 16569 次阅读 2015-2-13 03:02 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦|关键词:太阳系,表面积,style,地球,水球| 地球, style, 太阳系, 水球, 表面积

地球71%的表面积被水覆盖,号称水球。水孕育了生命,是地球上所有生物不可缺少的物质。正因为地球有液态水,地球才变得如此生机勃勃、与众不同!地球上的水是哪里来的?为什么太阳系的其他行星没有液态水呢?

关于地球上水的来源,有两大说法:自源说和外源说。

自源说认为地球的水来自于地球本身。

地球起源时,形成地球的物质里面就含有水,或者包含组成水的元素氢和氧,氢和氧在适宜的条件下化学反应生成了水。

在地球形成的一个阶段,温度很高,水或者在高压下存在于地壳、地幔中,或者以气态存在于地球大气中。后来随着温度的降低,地球大气中的水冷凝落到了地面。岩浆中的水也随着火山爆发不断释放到大气、降落到地表。汇集到地表低洼处的水就形成了河流、湖泊、海洋。

地球内部蕴含的水量是巨大的。地下深处的岩浆中含有丰富的水,实验证明,压力为15 kbar、温度为1,0000C的岩浆,可以溶解30%的水。火山口处的岩浆平均含水6%,有的可达12%。有人根据地球深处岩浆的数量推测在地球存在的45亿年内,深部岩浆释放的水量可达现代全球大洋水的一半。

地球岩石矿物中也含有结晶水和晶格水。结晶水是作物水合物分子组成部分的水,例如五水硫酸铜中的水。晶格水是矿物的晶体格架里面参杂的少量的H2O水分子。在合适的条件下,这些岩石中的水就会被释放出来。

更大量的水存在于地幔中。

澳大利亚地球科学家泰德·凌武德(Ted Ringwood1930-1993)发现了以他的名字命名的尖晶橄榄石(Ringwoodite),这种矿物质的1.5%是由水分子构成的。在凌武德发表的一篇报告中提到,地幔的过渡层,即“三明治夹层”内具备超高压、超高温等条件,因此那里富含钻石,也符合尖晶橄榄石这种矿物质的产生条件。

尖晶橄榄石在陨石中普遍存在,但在地球上的岩石上却极少发现,起码在2008年以前科学家认为这种矿物质只存在陨石中。

20143月,来自加拿大阿尔伯塔大学的格拉汉姆·皮尔森等在英国《自然》杂志发表报告,宣称新发现的尖晶橄榄石样品,提供了足够充分的证据,证明地幔上下层之间的过渡带存在水分,而且按照岩石中的水分存在比例,水资源储量相当丰富,有望超过全球海洋总水量之和。当年,凌武德组织的科研队伍在巴西马托格罗索州雨林中的一条小溪内捡到一块棕色的钻石,经多年化验比对,直到最近才确认其内部含有微量尖晶橄榄石成分。科学家认为,此次发现的含有尖晶橄榄石的钻石,就是通过火山喷发,由地幔带到地表的。

20146月,美国西北大学的地球物理学家雅各布森(Steve Jacobsen)及新墨西哥大学的地震学家施曼特(Brandon Schmandt)在美国《科学》杂志合作发表文章,报告通过利用遍布全美的2000多个地震仪分析了500多次地震的地震波,表明就在美国地下660公里深处,岩石发生部分熔融,且从地震波传播速度减缓来看,这是可能有水存在的信号。与此同时,研究人员在实验室中合成上下地幔过渡带中存在的尖晶橄榄石,并模拟地下660公里深处的高温高压环境,尖晶橄榄石在此环境下发生部分熔融,就像出汗一样释放出水分子。这为地幔过渡带存在水分提供了更多的证据。

地幔上下层之间的过渡带(介于410km660km相变界面之间,界面深度强烈依赖于温度变化)厚度约25km,占据地球内部的一个椭圆体区域,约占地球质量 7.5%,平均含水量按1%计算,存水质量为:地球的质量×地幔过渡带质量比重×含水量=5.98×1024kg×7.5%×1%=4.485×1021kg=4.485×1010亿吨,是现今地球表面的水贮量(包括液态水、固态冰雪和气态水汽)1.3860×1010亿吨的3倍多。

地幔中的水,因为地壳俯冲形成的上升通道可以进入地幔与地壳之间的软流层岩浆中,并随岩浆活动而达到地表。按此理论,地表的液态水很大部分是内部的水慢慢渗出而积累起来的。有人估计自地球诞生以来,深层岩浆活动带给地表的水占当今海洋贮水量的一半,又有人估计火山活动喷出来的水相当于海洋水贮量的一半。这二者肯定有重复的地方,

外源说认为地球的水来自外空:彗星、陨石和太阳风。

碰撞到地球的彗星、降落到地球的陨石,其成分含有一定量的水,一般为0.55%,有的高达10%以上。其中碳质球粒陨石含水更多。球粒陨石是太阳系中最常见的一种陨石,大约占所有陨石总数的86%。降落到地球的陨石把水分带到了地球。

但是,不可想像在地球形成之后,会有如此多的的陨石带来如此多以至于形成地球海洋的水量!而且如果光有陨石而缺乏把其中的水释放出来的地球物理化学作用,陨石中的水也更本变不成液态水。所以,认为地球上的水是地球形成后陨石带来的观点不成立。而如果认为,地球和太阳系的其他行星都是由这些球粒陨石凝聚而成的,水来自形成地球的原始物质,那就与自源说没有差别了!

另一种外源说认为太阳风到达地球大气圈上层,带来大量的氢核、碳核、氧核等原子核,这些原子核与大气圈中的电子结合成氢原子、碳原子、氧原子等。再通过不同的化学反应变成水分子,据估计,在地球大气的高层,每年几乎产生1.5 吨这种“宇宙水”。然后,这种水以雨、雪的形式落到地球上。但太阳风形成的水是如此少,在地球45亿年生命史中,也不过形成67.5亿吨水!与现今地球表面的水贮量(包括液态水、固态冰雪和气态水汽)1.3860×1010亿吨相比,不过九牛一毛。这也说明地球的水还是以自源为主。

看来地球的水既有自源的,也有外源的,但以自源为绝对主要来源。

目前地球表面的水,或许在地球形成初期就有了一部分,例如存在于原始大气中的水、存在于地表岩石中的水;后来又从天外陨石、彗星、太阳风获得了少部分;而主要的部分是地球内部通过岩浆活动渗出来的。

既然地球可以自生水而形成水球,一个自然的问题是与地球有同样起源的其他星球如火星、月亮为什么没有液态水存在呢?甚至连水的踪影都找不到呢?

液态水能否存在的一个控制因子是温度。太阳等星球温度太高,连水分子都不能存在而分解成了原子,所以根本没有水;有的星球例如金星,温度不算太高,水分子可以存在,但温度超过了水的沸点,水都蒸发了,所以没有液态水;有的星球例如火星,温度低于水的冰点,即使有水也都结冰了,所以也没有液态水。

(已发于《百科知识》2015年第3期)



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