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地球用了46亿年的水(地球上的水用了40多亿年)

时间:2023-08-16 作者: 小编 阅读量: 1 栏目名: 生活百科

也就是说,在地球大气中还没有足够多的氧气之前,那些通过“产甲烷过程”产生的氢气就会大量地从地球的大气顶层逃逸,而地球上的水也会因此而变少。

生命是宇宙中的奇迹,迄今为止,我们从未在地球之外发现任何可以确定的生命痕迹,而水是地球上所有已知生命都不可或缺的物质基础,因此水也被称为“生命之源”。

研究表明,早在40多亿年前,水就在地球上大量存在了。那么问题就来了:地球的水用了40多亿年,变少了吗?对这个问题,科学界也是非常感兴趣的,实际上,在过去的研究工作中,科学家已经在一块石头上找到答案,具体是怎么回事呢?且看下文分解。

首先要讲的是,地球并不是一个完全封闭的系统,除此之外,地球的引力也不是想象中的那么强大,在地球的大气层中,尽管地球可以凭借引力束缚住像氧、氮这样的较重元素,也可以束缚住水分子,但对于大气层中的像氢、氦这样的非常轻的元素,地球的引力就无法对其形成有效的束缚。

我们都知道,水分子其实就是由氢和氧通过共价键结合而成的,所以假如有某种机制能够将水分子分解成氢和氧,就很可能会出现“氢逃逸、氧留下”这样的情况,而如果这种情况真的发生了,那就意味着地球上的水变少了。

这样的机制在地球上是存在的,比如说太阳光中的短波辐射就可以破坏掉水分子内部的共价键,从而将其分解成氢和氧,这也被称为“光解”。

实际上,当地球大气层中的水蒸气扩散到高层大气时,就可能被太阳光“光解”成氢和氧,在此之后,氢就可能会因为密度较小而不断上升,最终从大气顶层逃逸。

需要指出的是,在地球引力的作用下,大气层中的绝大部分水蒸气都不会扩散到高层大气,根据科学家的计算,每年大概只有9.5万吨的氢从地球的大气顶层逃逸。

这种数量与地球上的水量比起来,可以说是微乎其微,也就是说,地球上的水因为这种原因而出现的损失并不多,另一方面,地球在宇宙空间中运行时,会捕获到一些游离氢,同时还有一些小天体(如彗星)还会给地球带来一些水,这足以弥补地球上因为“光解”而损失的水,所以地球还是可以做到动态的“收支平衡”的。

然而地球上的水还可能因为另外的机制而变少,例如当海洋中的海水通过海底岩石的缝隙渗入地下深处的时候,就可能会与高温岩浆以及其中的结晶基岩发生一系列的反应,进而将水分子分解成氢和氧,科学家将其称为“产甲烷过程”(Methanogenesis),如下图所示。

需要注意的是,上图所示的只是“产甲烷过程”的净效应,其具体过程需要涉及专业的地球化学知识,这里我们就不展开了。简单来讲就是,这一系列反应能够把海水中的一部分水分子分解成氢气和氧气,这些气体会上升到海洋表面,然后进入地球大气层。

现代地球的大气层中氧含量非常丰富,因此这些氢气中的绝大部分都会在低层的大气中就被重新氧化成水,而不会从地球的大气顶层逃逸,然而地球大气层并不是一直都是像现在这样充满氧气的,实际上,在大约26亿年前的“大氧化事件”发生之前,地球大气层中的氧气含量非常低,以至于可以忽略不计。

也就是说,在地球大气中还没有足够多的氧气之前,那些通过“产甲烷过程”产生的氢气就会大量地从地球的大气顶层逃逸,而地球上的水也会因此而变少。

氢元素有三种同位素,能稳定存在的只有“氕”和“氘”,科学家发现,在上述的“产甲烷过程”中,“氕”的效率要比“氘”高得多,这就意味着,那些通过“产甲烷过程”而逃逸的氢气中的“氕”比“氘”更多,而随着这个过程的持续,海洋中的“氕”和“氘”的比例就会出现变化。

在此基础上,我们只需要知道40多亿年前地球海洋中的“氕”和“氘”的比例,再利用相关理论建立起模型,并将其与现代地球海洋的“氕”和“氘”的比例进行对比和分析,就可以知道地球在过去失去了多少氢,进而计算出地球上的水在过去变少了多少(毕竟地球上绝大部分的水都在海洋里)。

看到这里,相信大家已经猜到了前文提到的“科学家在一块石头上找到答案”是什么意思了,是的,科学家就是在一块石头上找到了远古地球海洋中的“氕”和“氘”的比例。

这块石头发现于格陵兰岛西部的地质层中,根据测定,这是一块形成于大约40亿年前的蛇纹石,这种石头通常形成于海底、洋中脊以及俯冲带,当地壳与通过海底缝隙循环的高温海水接触时,就可能会形成蛇纹石,由于在蛇纹石的形成过程中会吸收大量的水,海水中的“氕”和“氘”的比例就会长久地保存下来。

通过对这块石头的研究,科学家得出的结论是,与早期地球相比,现代地球海洋的体积变小了大约26%,换句话来讲就是,地球上的水少了差不多4分之1。

(图为这块石头在显微镜下的样子)

不得不说,这是一个令人吃惊的答案,不过我们也不必担心现代地球上的水会继续大量变少。

正如前文所言,现代地球的大气层早已充满了氧气,而这也就意味着,在现代地球上,那些通过“产甲烷过程”产生的氢气基本上都会在低层的大气中就被氧化成水,并不会从地球的大气顶层逃逸。

退一步讲,即使逃逸了极少的一部分,地球上的水也因此而变少了一点,那这些水也比地球上因为“光解”而损失的水少得多,完全可以通过宇宙空间中的游离氢以及富含水的小天体来得到补充,从而在整体上维持一个动态的平衡。

参考资料:

Emily C. Pope, Dennis K. Bird, and Minik T. Rosing. Isotope composition and volume of Earth's early oceans. DOI: 10.1073/pnas.1115705109


好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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