[圖文]地球上的水來自哪裡

地球上的水來自哪裡?對於天文學家來說,要回答這個問題,可以借用唐代大詩人李白的一句詩:『君不見,黃河之水天上來』——是天上的彗星撞擊給地球帶來了水。可是,地質學家卻另有自己的答案——是火山爆發給地面上送來了水。這兩家似乎都只訴說著自己的一家之言,無意否定另一家的說法。那麼,我們是否可以結合兩家之言,說地球上的水,既來自天上,又來自地下?















從地球的起源談起



無論地球上的水來自天上還是地下,我們必須要從地球的起源開始談起。



地球是隨著太陽系的形成而誕生的。太陽系形成於一個原始的太陽星雲,星雲的成分是氣體和塵埃。塵埃是多種分子結合構成的顆粒,包括很多水和水冰分子,氣體的主要成分是氫。



星雲是形成恆星的搖籃。星雲的物質分布不均勻,有些地方比較密集一點,物質越密集引力越大,於是形成一個凝聚中心,吸引周圍的物質不斷向它匯聚。隨著中心的物質越來越多,它的溫度也逐漸昇高,溫度昇高到700萬K的時候,就會觸發熱核反應,就是由4個氫原子核聚變成為一個氦原子核,在這個過程中會產生大量的光和熱。恆星演化進入了主序階段,形成一顆穩定的恆星。我們的太陽就是約在50億年以前,在一個原始星雲裡面形成的。



星雲裡還有很多物質,這些物質在圍繞著中心質量旋轉,慢慢地凝聚起來,成為一個個小顆粒,這些小顆粒稱為星子。星子有的是石塊;有的是冰塊,也就是水。然後這些星子再進一步結合起來,形成了一系列行星,圍繞中心的恆星旋轉。我們的地球連同其它行星大約在46億年以前。



46億年前地球誕生以後,經過漫長的演化歷史,纔成為我們現在這個樣子。地球演化在早期階段,經歷了三個過程:引力收縮、小天體撞擊和放射性元素的衰變。在引力收縮前,它的體積比現在的大,收縮後變得比較小了。在收縮過程中,地球的溫度增高,放射性元素衰變的過程也會產生巨大熱量,使地球增溫;小天體暴風驟雨般的轟擊也把地球加熱,這些小天體是一些原來沒有結合成行星的星子所構成的小行星或彗星。這三個過程使地球溫度昇高了,成為熔融的狀態。



在熔融狀態下,地球裡密度較大的物質,例如鐵、鎳、銅、金、銀等金屬就沈下去,沈到地球的中心。地球中心有一個鐵核,就是那個時候形成的。硅酸鹽密度較低,漂在上面,它的外層冷卻以後成為堅硬的地殼。地球在熔融狀態下經歷的這種重沈輕浮的變動稱為分異過程。地殼是由岩石構成的,內層岩石的主要成分就是硅酸鹽,至於外層岩石的成分則與火山噴發有關。



彗星之水與火山之水



地球在形成後的最初3到4億年裡,由於太陽系裡面還有許多小星子沒有結合為行星,它們中一部分會掉落到地球上,這就是小天體撞擊。這些小天體主要是小行星和彗星。彗星本身主要是由水冰構成的。撞擊的結果就在地球表面形成密密麻麻的隕擊坑,也帶來了大量的水分。



地球上早期的隕擊坑,因為地球上空氣和水的循環流動,使它們遭受到風化作用,慢慢地侵蝕消失了。此外,地球上大規模的地質活動,如造山運動、冰川運動等,也使許多隕擊坑面目全非。現在,我們在地球表面也能發現一些隕擊坑,但是不多見了。一個著名的例子是美國亞利桑那州的巴林傑隕擊坑,這個隕擊坑的直徑有1200米,深度有180米。這次撞擊的歷史不長,估計是4萬年以前,所以還沒有消蝕掉。時代太遠的隕擊坑就看不到了。彗星帶來的水留在地球上,大海大江裡的水有很大一部分是由彗星帶來的。彗星帶來的水形成了地球之水的一部分。



地球早期的時候地殼是很薄的,在小天體不斷撞擊它時,有的地方就破了。地殼破裂,地殼底下熔融的岩漿就噴發出來。所以在地球的早期曾經有一個很長的時期,那時有大量的火山噴發。到處都是一撞一個坑,緊接著就是火山噴發了。火山噴發,岩漿流從火山口洶湧冒出,使原始地殼的厚度迅速增加,改變了原始地殼的成分和結構,奠定了地殼外層的岩石基礎。



火山噴發的時候,除了流出岩漿,還釋放大量氣體,以水蒸汽為主,其含量常達60%以上,此外有二氧化碳、硫化物,以及少量一氧化碳、氫氣、氯化氫、氨氣、氟化氫等。火山噴發的氣體量往往很大,如1912年阿拉斯加的卡特曼火山噴發的氣體中,僅鹽酸就多達125萬噸,氫氟酸達20萬噸。地球是由無數星子結合形成的,許多星子本身就是一個一個的水粒,它們都包裹在地幔裡面。地殼把地幔包起來,裡面很多水分,通過火山爆發釋放到地面。我們說水還來自地下,這個地下是什麼?就是說的火山爆發。火山爆發把水送出來。當然歸根結底還是從天上來的,本來在太空中的水,包含進地球裡面,到地殼底下去了。在我們看來,地殼底下的水通過火山爆發又被輸送到地面上來了。



遍布水的太陽系



水在太陽系存在是很多的,就像隕擊坑遍布在所有硬殼天體上一樣。應該說地球早期遭遇的經歷,這些天體都遭遇過。



地球與太陽系其它行星,差不多同時形成,它們當時的條件也類似。在水星上,我們可以看到有很多隕擊坑,隕擊坑當然也由小行星和彗星撞擊出來的。但是水星現在沒有水。一個原因是它的質量小,於是引力也小,它的引力不足以把大量的水都吸引住,水很容易蒸發掉。另外還有一個很重要的原因,就是它離太陽近,表面溫度很高。白天太陽照射的時候溫度最高可以達到477度,當然所有的水分都蒸發掉了。可見,水星本來應該與地球一樣是有水的,但是早就蒸發掉了。



金星有很厚的雲層,它的大氣非常濃密,表面大氣壓是地球大氣壓的91倍。但是它的大氣成份96%是二氧化碳,還有少量的氮、氧等。金星上面也是會有水的,它的水的來源應該也是一樣的。



火星上面也是有水的,可以說天文學家早就發現了。從望遠鏡去看火星,能看見它的極冠。夏天的時候極冠縮小,冬天的時候極冠變大。極冠的顏色是白的。它裡面既有水冰,也有乾冰,乾冰就是固態二氧化碳。因為火星表面的溫度要比地球低很多,在那裡二氧化碳結成了冰。



已經在火星表面發現了許多乾涸的河床。過去肯定有過大量的水,正是水的流動和沖刷形成了河床。但是現在這些河床沒有水了,水到哪裡去了呢?可能一部分蒸發掉了。火星比地球小得多,它的引力也小得多,時間一長,它就不能保持水分。另外還有一種可能性:水滲透到地下去了,或者說火星可能有地下水。



美國的『機遇』號火星探測器拍攝到了冰、塵土和岩石混合的火星表面。美國宇航局副局長惠勒爾宣布:『漫游車「機遇」號的探測結果顯示,它的著陸區域表面曾被液態水浸透,這個區域適合生命居住!』水是生命存在的必要條件,有水就有可能存在生命。所以火星探測的一個很重要目標就是要探測火星的水。



科學家認為,在火星兩極地區水分相當多,中高緯地區比較多,可是在赤道兩邊就幾乎沒有了。赤道區域陽光可以直射,水分容易蒸發掉,所以不容易保留水分。



木星是一個氣態巨行星,在它的大氣裡面存在氫、氦,也有少量的水、氨、甲烷和一氧化碳等。



土星的條件與木星非常相似,它也是一個氣態巨行星。它的大氣裡面主要也是氫和氦,也有少量的一氧化碳、水蒸汽和碳氫化合物。土星有一個明亮的光環,是由大大小小的團塊構成的。這些團塊有的是岩石,有的是岩石外面包著一層冰,更大量的是冰塊。土星光環之所以非常明亮,就是因為它含有的大量冰,可以強烈地反射陽光。



天王星大氣的主要成份也是氫和氦,其次是甲烷,也有少量的水汽。它的大氣下面有一個結成冰的表面。天王星的中心有一個核,可能是由岩石和冰構成的。



海王星與天王星十分相似。它的大氣與天王星的一樣,它的表面也是冰,這些冰包含水冰、乾冰、甲烷冰等等。它的裡面也可能有一個冰和岩石構成的核。



太陽系裡許多大衛星上面也有水。



長期以來,人們曾經認為月亮上面是沒有水的。1994年美國向月球發射了『克萊門汀』號探測器,成為環繞月球的衛星。在1997年下半年的時候,它發回了一張月球南極地區的雷達圖像。美國科學家經過分析以後,認為圖像上反映出月球的南極地區表面有水冰。為了進一步證實這個發現,1998年初美國發射了『月球全球勘探者』號探測器,專門去探測月球表面的水分。隨後證實,不只在月球的南極有水,在北極也有水。這些水是完全結成冰的,而且月球表面的水冰呈現為很小的顆粒,跟塵土混合在一起。



在月球兩極的大環形山底部,終年不見陽光,溫度很低,達零下230度,所以水不會蒸發。至於在月球的其它地方,在陽光照射下溫度可高達零上122度,水是很容易蒸發掉的。所以只有月球的兩極可能存在水冰。這些水的來源,也是早期彗星撞擊後留存下來的。



木星有4個大衛星。木衛一上有火山爆發。木衛二比月亮小一點,半徑約1500千米,它的表面結了厚厚的一層冰,冰層的厚度有十來千米,幾乎包圍了整個表面。冰層下有幾十千米深的海洋。天文學家推測在木衛二的海洋裡可能有初等的生命形態存在。木衛三是太陽系裡最大的衛星,直徑達5300千米,比水星還大。它的情況與木衛二一樣,表面覆蓋著厚厚的冰層,厚度達到了70千米。木衛四的情況也類似,它的表面也有幾十千米厚的冰層。



土星的衛星裡土衛六最大,其它衛星都比較小。如果衛星太小,不太可能保留水,因為它引力小,水容易蒸發掉。土衛六是太陽系裡的第二大衛星,直徑約4900千米,也比水星大。它上面主要是甲烷、氮等氣體,也有少量的水。



天王星的衛星也很多,目前發現了27個,但是只有5個比較大。這5個衛星表面也都覆蓋了冰。



海王星的衛星現在發現了13個,海衛一最大,半徑一千多千米,也是有水的。它的表面有間歇性噴發的噴泉。



再向外是柯伊伯帶和奥爾特雲。它們被稱為『彗星的倉庫』。柯伊伯帶是離太陽40天文單位到100天文單位的一個區域。奥爾特雲就更遠了,在3000到5萬天文單位之間。柯伊伯帶像一個細細窄窄的面包圈,圍繞在太陽系的外緣。奥爾特雲則像一個球形的殼層,包裹著整個太陽系。在柯伊伯帶和奥爾特雲裡有無數個彗星,大大小小圍繞著太陽旋轉。有極少數的軌道深入到太陽系的內部,當飛近太陽的時候,生出長長的彗尾,形成高掛在星空上的『掃帚星』。彗星是由多種易揮發物質,其中主要是水在低溫下凝結成的冰雪,混合著塵埃組成的,被形象地稱為『髒雪球』。冥王星、鬩神星等若乾矮行星位於柯伊伯帶之內,它們的表面也覆蓋著冰雪,自然也包含著水冰。



火山之水的佐證



對整個太陽系巡視得到的結果,足以作為水來自天上的佐證。那麼地質學家是否也有證據證明從火山噴出的水留在地面上了呢?答案是肯定的。



極早時期的地球表面是無水的。在35億年前的太古宙初期,開始發現有水的證據。例如,科拉半島上的片麻岩,據同位素年代測定,距今35億年,內含有石英岩透鏡體。石英岩的原岩是砂岩,是在水體環境中沈積生成的。此外,在南非35億年前的變質岩系中,也發現了由沈積而成的鈣硅質岩層。既然35億年前能匯聚成足以形成沈積岩的水域條件,人們推測,在40億年前地球表面無疑已出現水。但當初的水量還很少,估計只有現在的10%。到太古宙晚期,沈積岩普遍出現,估計當時的水量可達現在的70%。初期由火山噴發而形成的水體,溶有不少酸性氣體,故由火山噴出的水應是酸性的,pH值大約在5~6之間,後來纔慢慢變為弱鹼性。這一點,可從太古宙晚期出現廣泛的碳酸鹽類沈積物得到證明。



那麼,天上和地下各為地面上的水貢獻了多少呢?在天文學家和地質學家還各執一詞的今天,即使都沒有形成偏見,也難於回答這個問題。看來有待於天文學家與地質學家通力合作,聯合攻關,纔能找到這個問題的正確答案。



地球水與人類



地球上的水,以氣態、固態、液態3種形式存在於大氣、海洋、河流、湖泊、沼澤、土壤、冰川、永久凍土、地殼深處以及動植物體內。它們相互轉化,共同組成一個包圍地球的水圈,總水量有14億立方千米。海洋佔了地球表面的70%。



水並不是靜止的,它在運動,水的循環對於生物的繁榮和人類社會的發展非常重要。促使水循環的動力是太陽的輻射。太陽輻射加熱水,水蒸發到空中形成了雲。然後,雲裡的這些水汽凝結成雨、雪、雹下到地面,或流到地下,或流到海洋。地球上的水就是這樣往復變化著,這個過程就是自然界的水循環。它可以使地球上各種水體進行自然更新,並使海洋水、陸地水、地下水保持相對平衡狀態。另外還有一個循環,是在海洋裡面進行的。水在海洋裡進行一種大規模的、相對穩定的流動,是海水重要的普遍運動形式之一。重要的海流有環太平洋海流、環大西洋海流、墨西哥灣海流、環北冰洋海流、環印度洋海流等。



當代全球有十大環境問題;大氣污染、溫室效應、臭氧層破壞、土地沙漠化、海洋生態危機、森林銳減、物種瀕危、垃圾難題、人口增長過速。簡單說,就是資源、環境、人口三大問題,它們一直困擾著人類的生存和發展,特別是發展中國家情況更為嚴重,而這些問題幾乎都與地球上的水有關。城市的人口密度大,工業集中,水的供需矛盾十分尖銳。世界各國的大中城市都不同程度地存在著缺水問題。例如,中國已有154個城市缺水,僅14個沿海開放城市,每天缺水就達300萬立方米,給城市人民生活帶來了困難和不便,嚴重影響社會的可持續發展。對自然資源過度地開發和利用,造成了生態平衡的嚴重破壞,森林、草原明顯減少,土地沙漠化與鹽漬化,水土流失嚴重,許多地方的氣候也變得越來越惡劣。工業生產把大量深埋在地下的礦物采掘出來,在許多工業產品的生產和消費中,產生大量的廢氣、廢水、廢渣,對環境造成污染。隨著溫室氣體的大量排放和環境污染的日益加重,地球的溫室效應也日趨明顯,平均氣溫不斷昇高,導致冰雪消融,海平面上昇。這已經威脅到了沿海地區和一些島嶼的人類生活甚至生存。



地球是太陽系中唯一具有高等生命的星球。刻不容緩地保護地球環境,節約地球上有限的水資源,讓地球恢復為山青水秀、空氣潔淨、草木蔥蘢、鳥語花香的宜居樂園,已經成為各國有識之士的強烈共識。


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