人类与水
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3.地球上的水是从哪里来的

水在地球上是一种最常见、最普通的物质。纵览整个太阳系,地球是八大行星中唯一被大量的液态水所覆盖的星球(覆盖面积约71%)。由于多水的覆盖,当我们从外太空看地球时,地球就是个蔚蓝色的美丽星球。可是在其他与地球相邻的行星上,虽说也都发现有存在水的迹象,但却很难找到液态水。譬如,火星表面虽有明显的水流痕迹,但是却见不到真正的水。还有名字与水相关的水星,其实表面也异常干燥,没有一滴水。

地球是太阳系八大行星中唯一被液态水所覆盖的星球,地球上的水是一种最常见、最普通的物质。地球上水的总量大约是13.86亿km3

那么,人们不禁好奇,地球上的水来自哪里呢?也就是说,为什么地球上会有如此多的水?

中国古代思想家、文学家屈原在其著名的《天问》中,开篇语就说:“曰遂古之初,谁传道之?”意为问往古之初,未有天地,固为有人,谁得见之而传道其事呢?

多少年来,古今哲学家、科学家关于地球水的来源问题,都进行了苦苦的探索,终不得其答案。现代科学确立后,科学家们才有了探索此问题的方向和方法,至今已先后产生过几十种不同的水形成假说。但研究者们至今也没有形成一致的看法,在学术界目前仍有较大的分歧。如果归纳起来,科学界目前主要有三种假说较为流行。

一、地球固有说

有人认为,在地球形成初期,原始大气中的氢、氧分子化合成水,形成大量水蒸气,并随着地球表面温度的降低,逐步凝结下来形成海洋;也有说法认为,形成地球的星云物质中原先就存在水的成分,水也是构成地球的原始材料成分之一,当地球从原始星云中凝聚出来时,水便以结构水、结晶水等形式存在于矿物和岩石中。之后,随着地球的不断演化,轻重物质的分离及火山爆发等,水逐渐从矿物和岩石中释放出来,成为海水的来源。类似的说法还有,当宇宙尘埃聚集形成地球时,这些尘埃颗粒对水具有极强的吸附力,以后当压力和气温越来越高时,水便从尘埃颗粒中分离出来,成为江河湖海;还有观点认为,原始地壳中硅酸盐等物质受火山影响而发生反应,析出水分。

二、外太空说

这种理论认为地球上的水来源于太空的冰雪彗星和小行星,这些彗星和小行星的轨道位于太阳系的最外侧,其形成之初就携带了大量的冰封的水。由于它们离太阳较远,故水分封存得很好。大约40亿年前,当这些彗星和小行星在不断飘逸运行的时候,被地球引力吸引,并密集地撞击地球后就为地球带来了丰富的水资源,是地球上水的主要来源。

有学者认为,甚至直到现在,这种“天外来水”形式还在不停地继续当中,只是其量已经很小了。

最新的观点来自美国科学家对人造卫星发回的数千张照片进行的研究,他们认为每分钟约有20颗由冰物质组成的彗星撞入地球,若每颗彗星的直径为10m,则每分钟就会有1000m3的水进入地球,一年则可达0.5km3。据此推论:自地球形成距今46亿年中,就有23亿km3的水进入地球,超过了目前地球海水的总量(约13.4亿km3)。

三、化学生成说

原始地球内部释放出大量的氢和氧,由于太阳风作用于地球大气圈上层,带来大量氢核、碳核、氧核等原子核,与大气圈中的电子结合成氢原子、碳原子、氧原子,加上雷电、光照等条件发生化学反应变成水分子。这也称混合说。有人还估计,在地球大气高层,现在每年还可收获大约1.5t这种“宇宙水”,并最终以雨、雪形式落到地表。

值得一提的是,2014年美国科学家声称,他们在地表下600多km处,饱受高压的矿物岩石里找到了水,温度达1000℃以上;其巨大的储量可能是地表海洋水量的5倍。该发现有助于弄清地球之水是如何形成的。

此前,另外一些美国和加拿大科学家也声称,他们在地下400~660km处找到了大量的水。储存在多孔岩石里的水,构成了巨大的地下“海洋”。他们研究成果的核心理论是,在肉眼看来干燥的岩石中,其实可能蕴含着水分——一些氢原子被锁在自然空隙和晶体缺陷中,而矿物中富含氧,因此如果某种矿物含有氢,特定的化学反应就能够释放出氢,与氧结合形成水。地球可以借助这条化学路径,把水隐藏在自身内部长达数十亿年之久。而且该路径还在通过板块运动,把少量的水释放到地表,为海洋补给水。同时,他们认为,正是由于这些地幔中水的存在,才有了地球的板块运动。

也许地球水的来源不止是上述其一,而是多种形式“兼容”存在的结果。因为水至少在太阳系是一种普遍的存在,那么在地球上以多种形式产生水,也就不足为奇了。最关键的是,地球由于其独特的条件和环境,能够留住并保存住这些水。我们假设,如果失去地球强大的磁场保护,剧烈的太阳风就会“吹去”地球的大气层;而如果没有了大气层,地球上的水也就会被蒸发殆尽。也许,与地球临近的火星兄弟,就是遭遇过这种“悲惨”命运的。还有上面提到的水星,可能因为距离太阳过近,白天太阳照射时的温度可达到477℃,这样即使它曾经有过水,也早就被蒸发掉了。