地球上的水科普知識介紹閱讀
水只會在人們習(xí)慣找到它的地方慢慢消失，仍然會有大量的水存在于地幔中，比如存在于巖石中的水。而地球上的水幾乎都來自于外太空。下面就是小編給大家?guī)淼牡厍蛏系乃榻B，希望大家喜歡!
地球上的水介紹
美國作家查爾斯·費什曼所著的一本書《大水荒：水資源大戰(zhàn)與動蕩未來》中告訴我們：水只會在人們習(xí)慣找到它的地方慢慢消失，仍然會有大量的水存在于地幔中，比如存在于巖石中的水。而地球上的水幾乎都來自于外太空。
1獵戶座星云是個“造水工廠”
迄今為止，地球上發(fā)現(xiàn)的最古老的巖石在加拿大魁北克省北部，有42.8億年歷史。這些年代久遠(yuǎn)的巖石，幾乎與太陽系的年齡相近(據(jù)估計，太陽系已經(jīng)存在46億年)?？墒悄阋苍S不知道，我們衛(wèi)生間的水龍頭里流出的水，極有可能比加拿大的巖石更為古老——它可能已存在了43億、44億或者45億年。
盡管這個說法仍存在爭議，但應(yīng)該說我們現(xiàn)在所擁有的水，的確早已存在，并會永遠(yuǎn)存在下去。因為地球上的水的分子式一直都是H2O。這些水不僅來自太空，甚至也形成于太空。實際上，水本身就是宇宙的“體液”，比太陽系的形成還早數(shù)億年，甚至數(shù)十億年。
加里·梅爾尼克是美國哈佛大學(xué)天體物理學(xué)中心的資深天體物理學(xué)家，他也是1997年時通過歐洲航天局設(shè)計的紅外線太空天文臺，發(fā)現(xiàn)一個相當(dāng)規(guī)模的“星際水源”的團(tuán)隊成員之一。多年來，他一直用軌道望遠(yuǎn)鏡研究星體的形成和太空水。他發(fā)現(xiàn)獵戶座的星體屬于銀河系，其旁邊有一個亮閃閃的點，即獵戶座“寶劍”上的一個小圓點，實際上它不是星體，而是一個巨大、明亮、由氣體和塵霧形成的云團(tuán)，即“獵戶座分子云團(tuán)”。氫氣就在這種云團(tuán)里凝結(jié)，正在形成新的星體。梅爾尼克說：“獵戶座離地球最近，是大星體形成的區(qū)域。”這個氫氣云團(tuán)看起來像獵戶座旁的一個小圓點，其實它規(guī)模龐大，可以產(chǎn)生成千上萬個星體。
梅爾尼克在和同事們用望遠(yuǎn)鏡觀察獵戶座分子云團(tuán)時發(fā)現(xiàn)，那里“每24分鐘產(chǎn)生的水，足以填滿地球上的所有海洋”。這些星體結(jié)合或分解時會發(fā)出沖擊波，沖擊波穿過含有游離態(tài)的氫和氧的氣體云，當(dāng)沖擊波沖擊氫原子和氧原子使它們結(jié)合時，通常就會形成水。
在此需要強(qiáng)調(diào)的是，氫是宇宙中最普遍的元素，而氧元素位列第三。因此，懸掛在獵戶座腰部的“寶劍”其實就像一個造水廠，一直在源源不斷地造水，每天制造的水量甚至是地球所需的60倍，其規(guī)模之大，令人難以置信。而這一片正在造水的區(qū)域，不過是銀河系中一片不起眼的“沼澤”而已。
梅爾尼克說，宇宙之大，我們難以想象?！澳切┬窃扑熘m然很多，且密度很大，但我們?nèi)圆粫f，若飄在太空，可能會被一大堆水打到?！彼员M管這塊星云產(chǎn)水量如此巨大，但它是在相當(dāng)于420個太陽系范圍大小的空間內(nèi)造水，它周圍的溫度相對于我們來說，也仍不算“潮濕”。即使在這塊星云中微塵最多的地方，即粒子最集中的地方，也比人類在地球上能創(chuàng)造出來的任何真空都“空寂”。
梅爾尼克稱自他們發(fā)現(xiàn)這塊星云以來的14年里，它已經(jīng)創(chuàng)造出了如地球一樣濕潤多水的30萬顆星體上所有的水的總量。
2地球水的“第四種存在形態(tài)”
讓我們回到地球上——地球上的水更大多數(shù)其實并不是以我們所熟知的冰、水、氣三種形式存在。水還有另外一種存在形式，這種形式異乎尋常——那就是封存在巖石中的水。
可以說，這些巖石像一個巨大的水庫，它的含水量至少與地球上所有河流、海洋和冰川中的水量加起來一樣多，或許還是海洋水量的4倍、6倍或10倍。但它們一直被深埋在我們腳下410千米(約255英里)處。
這種奇特的“第四種形態(tài)”的水，還可能隱匿在你家的廚房中。如果你家廚房的綠石灶臺是用蛇紋石做成的，假設(shè)一塊蛇紋石的鍋臺面板重約90公斤，在這塊石頭中，就有約10公斤會是水，即石頭中可能融入了10升水。但是，這種融合并不像把雞蛋攪在稀面糊中那樣，而是水融進(jìn)礦石的每個分子中，即裹在構(gòu)成蛇紋石的鎂、硅和氧原子的點陣結(jié)構(gòu)中。幾乎地下410千米深處的礦石大都以這樣的方式融進(jìn)了水，當(dāng)然這些水的存在形態(tài)并不是我們所熟知的那種——410千米厚的巖石疊加在一起所產(chǎn)生的重力，以及2000華氏度(約1093.33℃)高溫加熱的共同作用下，一個氫原子會離開水分子，留下一個羥基，而這個氫原子會融入礦石分子。科學(xué)家把這種融入水的礦石稱為“水合礦物質(zhì)”(即“水巖”)。
有一點難以理解之處：一旦把羥基和單獨的氫原子注入巖石的晶體點陣，埋在地下近500千米的深處，這些原子若依然結(jié)合成水分子，將以何種方式存在?
美國西北大學(xué)的地球物理學(xué)家史蒂芬·雅各布森專門研究地球內(nèi)部的熱量、壓力，以及人類幾乎不能到達(dá)的漆黑世界。他用巨大的壓力(用來鍛造人造鉆石的壓力)模擬在地下約500千米深處的壓力和溫度，將水?dāng)D進(jìn)巖石。他說：“如果去除壓力和溫度，氫原子和羥基會合成水分子。如果它不在巖石中，它就是水。如果它被融入巖石，它看起來就還是巖石。所以礦石是地球上大部分水的存在之處——水就在礦石中?！?/p>
可以這樣形象地解釋：在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫ο?，某種礦石的確將水吸入其分子結(jié)構(gòu)中，就像海綿吸水一樣。而水分子進(jìn)入礦石就會分解，分解為一個氫原子和一個羥基。所以礦石中絕對有水。
而且科學(xué)家至少從三方面得出了結(jié)論：水巖確實比沒有水合狀態(tài)時更柔韌，更易變形;科學(xué)家能用紅外線分光鏡測量出礦石分子結(jié)構(gòu)中的水分子;最重要的是，當(dāng)?shù)V石承受的壓力和溫度以適當(dāng)?shù)姆绞奖蝗コ龝r，氫原子和羥基就會從礦石中脫離，以水的形式從礦石中流出。
科學(xué)家認(rèn)為，他們已經(jīng)弄清楚，這種水巖遍布地下400-650千米的深處，厚達(dá)240千米，比地球表面的水層還要厚。
雅各布森說，即使這種礦石的含水量只有1%，其水量也很大，實際上已相當(dāng)于地球海洋水量的幾倍。如今全球有成百上千名科學(xué)家正在研究地球深層水的物理特性和巨大作用。
我們也許看不見這種隱身在地球深處的水，而且這種水或許比美國國家航空航天局2009年在月球上發(fā)現(xiàn)的水的存在形式更難研究、更難理解，但地球的深層水與美國圣莫尼卡碼頭、英國多佛白崖的洶涌波濤，以及南非約翰內(nèi)斯堡或上海的地平線涌起的風(fēng)暴云其實都有關(guān)聯(lián)。
3或許真正的水循環(huán)是這樣的：
隕石-海水-深層水巖-火山云-海水-深層水巖
約瑟夫·史密斯是美國科羅拉多大學(xué)的地質(zhì)學(xué)家，致力于研究深層水的動力學(xué)和重要意義，也是該領(lǐng)域的先驅(qū)之一。他認(rèn)為，地幔深處礦石中的水是從海洋中而來，而地球表面的水其實又來自于地幔深處的深層水。
史密斯解釋說，海洋底部有一層叫橄欖石的礦物質(zhì)。當(dāng)橄欖石和海水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，會生成蛇紋石，即上面所講過的、能當(dāng)廚房灶臺用的綠石。然后，在大陸板塊相互擠壓的地方，海洋底發(fā)生“潛沒”，即在大陸漂移的作用下，這些礦石被猛地推入地球內(nèi)部。因此，這些浸透了水的蛇紋石便進(jìn)入了地殼。
而深層水又是如何回到地球表面的呢?“大部分深層水是通過火山返回地面的，當(dāng)安第斯山脈的火山或圣海倫火山噴發(fā)時，形成那些鋪天蓋地的火山云的主要物質(zhì)其實仍是水，里面夾雜著火山灰?！蓖ǔ＃鹕絿姵龅幕鹕皆?0%都是水，甚至更多。史密斯說，“事實上，正是巖漿里的水，引起了火山噴發(fā)?！?/p>
地幔中到底儲存了多少水，仍然是個謎?？茖W(xué)家一直在苦苦探索。迄今為止，人類在地球表面所鉆的孔最深的有12千米，由蘇聯(lián)人耗時24年時間、斥資1億美元才得以完成。截至2008年，世界上最深的礦井，即人類實際探索地球內(nèi)部的最深處，也只有3.9千米深。這兩個深度就像“手指甲在地球表面的抓痕”，離地球真正的“內(nèi)部”仍然遙不可及。
但科學(xué)家們肯定，地球內(nèi)部深層水區(qū)的反應(yīng)約發(fā)生在410千米深處。所有的研究均通過聲波和地震學(xué)，以及模擬地球410千米深處的強(qiáng)壓和高溫進(jìn)行?？茖W(xué)家這才得以創(chuàng)造出供其研究的地球深處的礦石樣本。但模擬強(qiáng)壓和高溫的代價極大，要動用一架兩層樓高的液壓機(jī)。即使地幔中有相當(dāng)于四五個海洋總水量的深層水，抽取它卻不像勘探巨大的油田和天然氣田那樣容易。因為人類根本不可能直接取樣，更不用說抽取它來灌溉撒哈拉沙漠中的一塊土地。
不過史密斯認(rèn)為，這種鎖在礦石中的第四種形態(tài)的水，或許是地球上最初的水源。他說：“地球上的水大多是‘球粒狀隕石’初期隕落時，以羥基的形式來到地球的——對于這一點，現(xiàn)在還沒有獲得廣泛的認(rèn)同。此外，也有些水則是以分子形式來到了地球。”
也就是說，水仍然首先是在太空中形成，然后通過隕石的隕落來到了地球。當(dāng)然，至今仍有一種說法認(rèn)為地球上的水也可能由地球上早期的火山活動而來。
不管怎樣，毫無疑問的是，地球深處的水巖對地球地質(zhì)構(gòu)造極其重要。這種水降低了礦石的黏度，使其產(chǎn)生柔韌性，也使大陸板塊能移動或重疊，而移動的板塊造就了地球上的大部分地貌。
還有最關(guān)鍵的一點，地球深層水或許是地球通體蔚藍(lán)的唯一原因。雅各布森說：“追溯到至少5億年前，隨著時間的流逝，我們已經(jīng)擁有了相對恒定的海水總量……雖然海平面的確在上升或下降，但也只是在幾十米的范圍內(nèi)波動?！钡刭|(zhì)學(xué)家將海拔高于海洋的大陸稱為“大陸超高”。如果你不太擔(dān)心大陸的邊緣(很不幸，大多數(shù)人就居住在大陸邊緣)，那么數(shù)億年來，大陸超高的總量一直恒定，這令人稱奇——地球內(nèi)部可能儲存著5倍于地球海洋總量的水，而海平面卻一直穩(wěn)定不變，這真令人迷惑。因為從地球深層即使釋放出與現(xiàn)在地球海洋的水量相當(dāng)?shù)乃厍蛏系囊磺幸捕紩谎蜎]。
雅各布森總結(jié)說：“或許，地幔中的深層水就是海洋存在的原因。我們目前仍無法開發(fā)飲用地幔中的水，但可能正是地幔中的水在維持著地球上海洋的總水量。