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2019年02月03日 栏目:时尚

地球上的水都是"来自星星的水" 永不贫乏?原标题:地球上的水都是“来自星星的水”新西兰的间歇泉(图/全景)美国国家航空航天局公布

地球上的水都是"来自星星的水" 永不贫乏?

原标题:地球上的水都是“来自星星的水”

新西兰的间歇泉(图/全景)

美国国家航空航天局公布的猎户座分子云团照片

□可可哥整理

水资源真的会越来越贫乏吗?从某个角度来看,答案应该是:永远不会。

美国作家查尔斯费什曼所着的一本书《大水荒:水资源大战与动荡未来》中告诉我们:水只会在人们习惯找到它的地方慢慢消失,仍然会有大量的水存在于地幔中,比如存在于岩石中的水。而地球上的水几乎都来自于外太空。

1猎户座星云是个“造水工厂”

迄今为止,地球上发现的古老的岩石在加拿大魁北克省北部,有42.8亿年历史。这些年代久远的岩石,几乎与太阳系的年龄相近(据估计,太阳系已经存在46亿年)。可是你也许不知道,我们卫生间的水龙头里流出的水,极有可能比加拿大的岩石更为古老——它可能已存在了43亿、44亿或者45亿年。

尽管这个说法仍存在争议,但应该说我们现在所拥有的水,的确早已存在,并会永远存在下去。因为地球上的水的分子式一直都是H2O。这些水不仅来自太空,甚至也形成于太空。实际上,水本身就是宇宙的“体液”,比太阳系的形成还早数亿年,甚至数十亿年。

加里梅尔尼克是美国哈佛大学天体物理学中心的天体物理学家,他也是1997年时通过欧洲航天局设计的红外线太空天文台,发现一个相当规模的“星际水源”的团队成员之一。多年来,他一直用轨道望远镜研究星体的形成和太空水。他发现猎户座的星体属于银河系,其旁边有一个亮闪闪的点,即猎户座“宝剑”上的一个小圆点,实际上它不是星体,而是一个巨大、明亮、由气体和尘雾形成的云团,即“猎户座分子云团”。氢气就在这种云团里凝结,正在形成新的星体。梅尔尼克说:“猎户座离地球近,是大星体形成的区域。”这个氢气云团看起来像猎户座旁的一个小圆点,其实它规模庞大,可以产生成千上万个星体。

梅尔尼克在和同事们用望远镜观察猎户座分子云团时发现,那里“每24分钟产生的水,足以填满地球上的所有海洋”。这些星体结合或分解时会发出冲击波,冲击波穿过含有游离态的氢和氧的气体云,当冲击波冲击氢原子和氧原子使它们结合时,通常就会形成水。

在此需要强调的是,氢是宇宙中普遍的元素,而氧元素位列第三。因此,悬挂在猎户座腰部的“宝剑”其实就像一个造水厂,一直在源源不断地造水,每天制造的水量甚至是地球所需的60倍,其规模之大,令人难以置信。而这一片正在造水的区域,不过是银河系中一片不起眼的“沼泽”而已。

梅尔尼克说,宇宙之大,我们难以想象。“那些星云所造之水虽然很多,且密度很大,但我们仍不会说,若飘在太空,可能会被一大堆水打到。”所以尽管这块星云产水量如此巨大,但它是在相当于420个太阳系范围大小的空间内造水,它周围的温度相对于我们来说,也仍不算“潮湿”。即使在这块星云中微尘多的地方,即粒子集中的地方,也比人类在地球上能创造出来的任何真空都“空寂”。

梅尔尼克称自他们发现这块星云以来的14年里,它已经创造出了如地球一样湿润多水的30万颗星体上所有的水的总量。

2地球水的“第四种存在形态”

让我们回到地球上——地球上的水更大多数其实并不是以我们所熟知的冰、水、气三种形式存在。水还有另外一种存在形式,这种形式异乎寻常——那就是封存在岩石中的水。

可以说,这些岩石像一个巨大的水库,它的含水量至少与地球上所有河流、海洋和冰川中的水量加起来一样多,或许还是海洋水量的4倍、6倍或10倍。但它们一直被深埋在我们脚下410千米(约255英里)处。

这种奇特的“第四种形态”的水,还可能隐匿在你家的厨房中。如果你家厨房的绿石灶台是用蛇纹石做成的,假设一块蛇纹石的锅台面板重约90公斤,在这块石头中,就有约10公斤会是水,即石头中可能融入了10升水。但是,这种融合并不像把鸡蛋搅在稀面糊中那样,而是水融进矿石的每个分子中,即裹在构成蛇纹石的镁、硅和氧原子的点阵结构中。几乎地下410千米深处的矿石大都以这样的方式融进了水,当然这些水的存在形态并不是我们所熟知的那种——410千米厚的岩石叠加在一起所产生的重力,以及2000华氏度(约1093.33℃)高温加热的共同作用下,一个氢原子会离开水分子,留下一个羟基,而这个氢原子会融入矿石分子。科学家把这种融入水的矿石称为“水合矿物质”(即“水岩”)。

有一点难以理解之处:一旦把羟基和单独的氢原子注入岩石的晶体点阵,埋在地下近500千米的深处,这些原子若依然结合成水分子,将以何种方式存在?

美国西北大学的地球物理学家史蒂芬雅各布森专门研究地球内部的热量、压力,以及人类几乎不能到达的漆黑世界。他用巨大的压力(用来锻造人造钻石的压力)模拟在地下约500千米深处的压力和温度,将水挤进岩石。他说:“如果去除压力和温度,氢原子和羟基会合成水分子。如果它不在岩石中,它就是水。如果它被融入岩石,它看起来就还是岩石。所以矿石是地球上大部分水的存在之处——水就在矿石中。”

可以这样形象地解释:在适当的温度和压力下,某种矿石的确将水吸入其分子结构中,就像海绵吸水一样。而水分子进入矿石就会分解,分解为一个氢原子和一个羟基。所以矿石中有水。

而且科学家至少从三方面得出了结论:水岩确实比没有水合状态时更柔韧,更易变形;科学家能用红外线分光镜测量出矿石分子结构中的水分子;重要的是,当矿石承受的压力和温度以适当的方式被去除时,氢原子和羟基就会从矿石中脱离,以水的形式从矿石中流出。

科学家认为,他们已经弄清楚,这种水岩遍布地下千米的深处,厚达240千米,比地球表面的水层还要厚。

雅各布森说,即使这种矿石的含水量只有1%,其水量也很大,实际上已相当于地球海洋水量的几倍。如今全球有成百上千名科学家正在研究地球深层水的物理特性和巨大作用。

我们也许看不见这种隐身在地球深处的水,而且这种水或许比美国国家航空航天局2009年在月球上发现的水的存在形式更难研究、更难理解,但地球的深层水与美国圣莫尼卡码头、英国多佛白崖的汹涌波涛,以及南非约翰内斯堡或上海的地平线涌起的风暴云其实都有关联。

3或许真正的水循环是这样的——

陨石-海水-深层水岩-火山云-海水-深层水岩

约瑟夫史密斯是美国科罗拉多大学的地质学家,致力于研究深层水的动力学和重要意义,也是该领域的先驱之一。他认为,地幔深处矿石中的水是从海洋中而来,而地球表面的水其实又来自于地幔深处的深层水。

史密斯解释说,海洋底部有一层叫橄榄石的矿物质。当橄榄石和海水发生化学反应时,会生成蛇纹石,即上面所讲过的、能当厨房灶台用的绿石。然后,在大陆板块相互挤压的地方,海洋底发生“潜没”,即在大陆漂移的作用下,这些矿石被猛地推入地球内部。因此,这些浸透了水的蛇纹石便进入了地壳。

而深层水又是如何回到地球表面的呢?“大部分深层水是通过火山返回地面的,当安第斯山脉的火山或圣海伦火山喷发时,形成那些铺天盖地的火山云的主要物质其实仍是水,里面夹杂着火山灰。”通常,火山喷出的火山云70%都是水,甚至更多。史密斯说,“事实上,正是岩浆里的水,引起了火山喷发。”

地幔中到底储存了多少水,仍然是个谜。科学家一直在苦苦探索。迄今为止,人类在地球表面所钻的孔深的有12千米,由苏联人耗时24年时间、斥资1亿美元才得以完成。截至2008年,世界上深的矿井,即人类实际探索地球内部的深处,也只有3.9千米深。这两个深度就像“手指甲在地球表面的抓痕”,离地球真正的“内部”仍然遥不可及。

但科学家们肯定,地球内部深层水区的反应约发生在410千米深处。所有的研究均通过声波和地震学,以及模拟地球410千米深处的强压和高温进行。科学家这才得以创造出供其研究的地球深处的矿石样本。但模拟强压和高温的代价极大,要动用一架两层楼高的液压机。即使地幔中有相当于四五个海洋总水量的深层水,抽取它却不像勘探巨大的油田和天然气田那样容易。因为人类根本不可能直接取样,更不用说抽取它来灌溉撒哈拉沙漠中的一块土地。

不过史密斯认为,这种锁在矿石中的第四种形态的水,或许是地球上初的水源。他说:“地球上的水大多是‘球粒状陨石’初期陨落时,以羟基的形式来到地球的——对于这一点,现在还没有获得广泛的认同。此外,也有些水则是以分子形式来到了地球。”

也就是说,水仍然首先是在太空中形成,然后通过陨石的陨落来到了地球。当然,至今仍有一种说法认为地球上的水也可能由地球上早期的火山活动而来。

不管怎样,毫无疑问的是,地球深处的水岩对地球地质构造极其重要。这种水降低了矿石的黏度,使其产生柔韧性,也使大陆板块能移动或重叠,而移动的板块造就了地球上的大部分地貌。

还有关键的一点,地球深层水或许是地球通体蔚蓝的原因。雅各布森说:“追溯到至少5亿年前,随着时间的流逝,我们已经拥有了相对恒定的海水总量……虽然海平面的确在上升或下降,但也只是在几十米的范围内波动。”地质学家将海拔高于海洋的大陆称为“大陆超高”。如果你不太担心大陆的边缘(很不幸,大多数人就居住在大陆边缘),那么数亿年来,大陆超高的总量一直恒定,这令人称奇——地球内部可能储存着5倍于地球海洋总量的水,而海平面却一直稳定不变,这真令人迷惑。因为从地球深层即使释放出与现在地球海洋的水量相当的水,地球上的一切也都会被淹没。

雅各布森总结说:“或许,地幔中的深层水就是海洋存在的原因。我们目前仍无法开发饮用地幔中的水,但可能正是地幔中的水在维持着地球上海洋的总水量。”

(中信出版社授权)

原标题:地球上的水都是"来自星星的水"永不贫乏?

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稿源:人民

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