尽管我们把居住的星球叫做「地球」,但实际上,水才是这个星球上真正的主角。地球上的水无处不在,比陆地还要多得多。
人们可能会好奇,这么多水难道就没有一丝一毫流到外面或者漏到太空里吗?
今天咱们来谈谈,为啥地球上的水不会消失,还有这些水一开始是从哪儿来的。
【液体水是逃不出地球的】
简而言之,地球上的水,跟其他所有东西一样,都受到地球的引力牵引,永远离不开地球。就像当年牛顿看到苹果落地那样,他明白了一切都是因为地球有引力。所以,地球上的水永远都摆脱不了地球的吸引。
地球内部的力,就是那个我们所说的引力,其实是从地球核心发出来的。这也就是说,不论我们站在地球的哪个地方,那种力量都会像磁铁一样「粘」着我们,让我们离不开地球。
引力就像宇宙的游戏规则,无论星球大小,都有它的份。就像地球上的水,虽然自由流动,但永远也逃不出地球引力的掌控。所以,液体水是没有机会逃走的,因为引力就是它的紧箍咒。
你知道吗,液态水只是水的一种样子。当水蒸发或者参与光合作用时,它还会变成气体,然后飘到空中去。这岂不就是水以气体的方式逃离了地球吗?
虽然气体轻盈地飘浮在地球周围,但它们并没有逃离地球。相反,地球的引力牢牢地吸引着它们,使它们无法逃脱地球的束缚。
那么,对于比水轻的气体来说,它们就真的无法逃脱了吗?
【大气的分层】
说到大气层,这个名字还真不是随便取的。它真的就是像层层叠叠的被子一样,把地球包得严严实实的。你想象一下,那些蒸发后的水,变成气体后都飘到了天上,它们就像是在玩叠叠乐,一层接一层地堆积在那里,真的是超级厚的。所以,我们的大气层就是这么来的,一层又一层的气体堆叠,给地球穿上了一件超厚的「羽绒服」。
大气从上到下分好多层,最下面那层叫对流层。你知道吗?超过90%的水蒸气都在这层里。因为这里的大气里水分多,体积大,所以比较重,就受地球引力影响,一直待在最下面啦。
对流层上面就是平流层,距离地面大约有55公里。随着高度的增加,大气里的水汽就越来越少了。
在这片区域,由于紫外线的照射,最上层的氧分子被分解成了氧原子,这些氧原子再与其他的氧分子结合,形成了臭氧。简单来说,就是紫外线把氧分子拆成了氧原子,然后氧原子又和其他氧分子组合成了臭氧。
这个区域温度高,是因为它吸收了短波紫外线,这样一来就形成了逆温层。而逆温层就像一个「盖子」,阻止了大气上下对流,导致大气无法交换。
想要到达中间层,你得先从平流层顶部往上飞,至少得飞85公里。到了那儿,水的含量就少得可怜了,即便有,也主要是固体冰的形式。
你是不是觉得大气的分层到这里就完了?其实不然,大气还有更外层的区域,叫做暖层或电离层。这个区域离中间层的顶部至少有800公里远呢!
来到这个区域,水汽已经荡然无存。即使偶尔有几个水分子侥幸来到这里,也会被电离作用分解成氢离子和氢氧根离子。
电离层外面,有一层磁力层,也叫外层和逃逸层。当进入这个区域,差不多就靠近地球和外太空的边界了。
这片区域就像是一个模糊的界限,虽然与外太空的边界不是很清晰。在这里,地球的引力变得特别微弱,空气也特别稀薄,几乎可以说是几乎没有。这种空气的密度,大概只有地表空气的一亿亿分之一那么少。
只要某物进入这片区域,它就不再受地球引力的束缚了。想象一下,如果大气中的某些小颗粒进入这个区域,它们就可以自由自在地脱离地球,进入浩瀚的宇宙空间了。
【水能以气体的形态逃走吗】
水汽集中的地方,就在大气层的最底部。光想靠自己的力量浮上去,那可不容易。即使它跟空气里的其他气体混为一体,它也不会因为变得更轻而上升。简单说,就是水汽多的地方,光很难自己浮上去。
此外,大气层的温度并不统一,有些区域的气温相当低。在这样的低温条件下,原本凝结的水分子会再次变回液态水。
当凝结的东西越来越多,整个的重量也就越来越重。这些凝结成水或冰晶的东西,如果浮力不够支撑,最后还是会因为地球的重力而落到地面上。简单来说,就是凝结多了就重,浮力撑不住就会掉下来。
总之,这些水最终还是回到了地面。即使它们后来蒸发并再次升空,也只不过是在循环中重新开始了新的旅程。所以,一切又回到了起点。
此外,大气层里还有逆温层,就像是一道隔离带。在平流层和热层这些区域,温度分布很奇特,底下冷上面热。
在这种情况下,空气密度在下层会更大,这样水汽更容易凝结成水或冰晶。而当它们从气体变成液体或固体后,它们就很难再上浮到更上面的区域了。
简单来说,地球的设计真是太巧妙了,它能把所有的水都牢牢地锁在自己身上,一滴都跑不掉。即使有少数水分子想「逃跑」,最远也就跑到电离层,然后就再也没有逃脱的机会了。因为在那个高度,水的形态会发生改变,再也无法离开地球了。
水分子既然不能凭借自己的力量浮走,那要是它们跑得特别快,通过扩散的方式,能不能突破限制呢?
【能逃走的不是水,而是构成水的一部分】
想要摆脱地球引力的束缚,非得快速不可,目前人类只有火箭技术能实现这个目标。不过,水分子在自然状态下,仅凭其热运动是别想逃脱的,它们可没这个能耐。
挺有意思的一件事是,虽然水整体上是无法逃离地球的,但是水里的氢原子或者氢离子在引力稍微减弱的情况下,还是有能力摆脱地球的束缚的。
比较之下,氧气、氮气和二氧化碳因为分子量较大,所以被地球牢牢吸引,逃不出它的怀抱。就像是在磁力层这个区域,你基本上找不到空气分子,只有氢和氦这两种小个子的原子,才能顺利穿越这一地带。
氢原子轻盈得能够穿越一切,最终抵达外太空。这让人忍不住好奇,如果氢不断逃逸并损失,那么水岂不是也在持续减少?长此以往,地球上的水岂不是会渐渐枯竭?
【地球有「补水」机制】
科学家们算过一笔账,地球每秒钟都在失去3公斤的氢。想想看,这么多年过去了,地球的水为啥一点没少呢?
虽然氢会逃离地球,但太阳风和偶尔的陨石为地球补充了氢,所以这些空位很快就被新的氢填补了。简而言之,地球并不会因为氢的逃离而失去太多,因为新的氢会迅速补上。
除了氢会逃逸外,氧气还能与硫化氢、氨和甲烷等发生化学反应,这些反应能够生成二氧化碳、水、硫酸和氮气等产物。
这种转化机制导致地球上的氧气含量不断攀升,而那些经过氧化反应后生成的物质,居然也能变成水。
通过循环机制,二氧化碳、硫化氢、甲烷等构成了早期的大气层。经过亿万年的演变,现代的大气层主要由氮气、氧气和二氧化碳组成。简单来说,就是这些气体经过长时间的循环和变化,形成了我们现在所呼吸的大气。
随着这个过程,碳基生命的生存机制得以逐渐建立,构成了一个完美的循环。那么,这些无处不在的水最初又是如何产生的呢?
【地球上的水是自己生成的】
多年来,科学家们一直在探讨水的起源。有一种看法是,地球在诞生初期就已经自带水了。
就算一开始不是水的形态,可是因为构成水的元素——氧和氢在自然中特别常见,所以最后还是会变成水。
有科学家猜测,很久以前地球上的水其实是藏在地球内部的液体。然后,因为地壳板块的运动和火山爆发,这些水慢慢地跑到了地面上,一点一点地汇集起来,最后变成了我们现在看到的江河湖海。
科学家发现,地球内部能储存很多水,特别是岩浆里,水含量特别高。实验显示,在10000℃高温和15千巴高压下,岩浆能产生30%的水。这意味着地球内部的岩浆里藏有大量水资源。
现在的地球上,所有的活火山,它们火山口那块地方的岩浆,里面都含有水分,多的能有6%,还有的能达到12%呢。
经过科学家们计算,地球上的岩浆规模非常大,他们推测在过去的几十亿年里,超过一半的地表水都是由岩浆喷发形成的。换句话说,我们地球上的很多水,其实都是来自地球内部的岩浆。
地球内部不仅有岩浆,还有很多矿物质也含有结晶水。这些水有时会从岩石里释放出来,到达地表。但总的来说,这部分的水量并不是最多的。
地球的水不仅存在于地表,还有很多储存在地幔里。有澳大利亚和加拿大的科学家认为,地幔中的水才是地球上水的主要来源。
简单说,就是那个地幔厚度有25公里的地方,它藏的水量,可能是我们现在看到的地表水量的三倍呢!
虽然现在科技还没能深入地球内部探测,无法确切确定地球内部是否存在水,但这些都是基于推测的。不过,这也提醒我们,对于地球内部的了解还需要更多的科技进步和研究。
【外部来到地球的水】
除了地球内部生成水的理论外,还有种说法是地球上的水来自外部。其中,太阳被认为是地球上水的重要来源。
太阳风一旦形成,就能轻松抵达地球大气层外。在这个过程里,大量的氧核和氢核会进入地球的范围,与电子结合后,就变成了氧原子和氢原子。
最后,这些分子经过化学反应变成了水,然后通过凝结变成雨滴,落到地面上。据估计,现在地球的外围还能产生至少1.5吨的水,这些水会以雨的形式降落到地面。
有些人觉得,按照这种方式形成的水量太小了,很难形成地球上现在这么大片的海洋。于是,也有人认为,太空陨石撞击地球时,可能会带着一些水来到地表。
你知道吗?碳质球粒陨石含水量超高!这种陨石占太阳系陨石的八成以上,它们早就降落在地球,成了我们现在看到的地表水的主要来源。所以说,我们地球上的水,有很大一部分是来自这些陨石哦!
【结语】
综合来看,大部分科学家觉得地球上的水来自内部。虽然外部来源的机制可能很完美,但水的数量显然不够多。只有地球内部原本就有水,才能形成现在地表上那么多的江河湖海。
由于引力的作用,地球上的水得以稳固存在。它不断地在地表和天空之间循环,经过多种形式的转化,为地球上的所有生命提供了必要的保障。简而言之,水在地球上通过循环和转化,为生命提供了源源不断的支持。
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【水会不会离开地球?】这是中国科学院在2015年6月19日探讨的一个问题。