政府投融资平台转型:地球的水的来源?

第三节 水圈的演化
　
一 、水从无到有
关于地球水的来源有各种各样的说法，这反映了水的来源的多样性，但其主要包括两种情况，一种是自生的，认为地球的水来自地球内部；另一种是外生的，认为地球水来自地球以外的宇宙空间。
（一）自生说
⒈. 地球从原始星云凝聚成行星后，由于内部温度变化和重力作用，物质发生分异和对流，于是地球逐渐分化出圈层。在分化过程中，氢、氧等气体上浮到地表，再通过各种物理和化学作用最后生成水。
⒉ 水是在玄武岩先熔化后冷却形成原始地壳的时候产生的。最初地球是一个冰冷的球体。此后，由于存在地球内部的铀、钍等放射性元素开始衰变，释放出热能。因此地球内部的物质也开始熔化，高熔点的物质下沉，易熔化的物质上升，从中分离出易挥发的物质：氮、氧、碳水化合物、硫和大量水蒸气，试验证明当1 m3花岗岩熔化时，可以释放出26 L的水和许多完全可挥发的化合物。
⒊ 地下深处的岩浆中含有丰富的水，实验证明，压力为15 kpa，温度为1,0000C的岩浆，可以溶解30%的水。火山口处的岩浆平均含水6%，有的可达12%，而且越往地球深处含水量越高。据此，有人根据地球深处岩浆的数量推测在地球存在的45亿年内，深部岩浆释放的水量可达现代全球大洋水的一半。
⒋ 火山喷发释放出大量的水。从现代火山活动情况看，几乎每次火山喷发都有约75%以上的水汽喷出。1906年维苏威火山喷发的纯水蒸气柱高达13，000米，一直喷发了20个h。阿拉斯加卡特迈火山区的万烟谷，有成千上万个天然水蒸气喷出孔，平均每秒种可喷出97～6450C的水蒸汽和热水约23，000m3。据此有人认为，在地球的全部历史中，火山抛出来的固体物质总量为全部岩石圈的一半，火山喷出的水也可占现代全球大洋水的一半。
⒌ 地球内部矿物脱水分解出部分水，或者释放出的一氧化碳、二氧化碳等气体，在高温下与氢作用生成水。此外，碳氢化合物燃烧也可以生成水，在坚硬的火成岩中，也有一定数量的结晶水和原始水的包裹体。
（二）外生说
⒈ 人们在研究球粒陨石成分时，发现其中含有一定量的水，一般为0.5～5%，有的高达10%以上，而碳质球粒陨石含水更多。球粒陨石是太阳系中最常见的一种陨石，大约占所有陨石总数的86%。一般认为，球粒陨石是原始太阳最早期的凝结物，地球和太阳系的其他行星都是由这些球粒陨石凝聚而成的。
⒉ 太阳风到达地球大气圈上层，带来大量的氢核、碳核、氧核等原子核，这些原子核与大气圈中的电子结合成氢原子、碳原子、氧原子等。再通过不同的化学反应变成水分子，据估计，在地球大气的高层，每年几乎产生1.5 t这种“宇宙水”。然后，这种水以雨、雪的形式落到地球上。
二、水从少到多、从酸性到碱性
自从地球形成以后，地球上的岩浆活动、火山喷发、陨石坠落等活动就从来未停止过，并且还将持续下去。经过以上的自生和外生过程，从而使地球上的水量逐渐发生变化。据估计，35亿年前地球表层的水量只有目前的1/10。水通过岩浆活动和火山喷发由地球内部逸出。从而使地球水圈的水越来越多。目前每年约有660 km3的水从地幔逸出。
同样海水水质也经历了漫长的演化过程。35亿年前，由于当时大气中含氧量大大低于现在，含有HCl和CO2等气体，海水是酸性的。原始酸性的大洋水与当时偏于基性的火成岩发生作用，会产生中性或偏碱性的溶液，原始的酸性大洋便逐步改变其性质，主要的碳酸根和重碳酸根离子成分逐步被氯原子所取代，早期的大洋便随着向氯离子为主的现代大洋过渡。在距今15亿～20亿年时，海洋中出现真核细胞的绿色植物，通过绿色植物的光合作用产生大量的游离氧，不但满足海洋中各种氧化反应，而且从水中逸至大气中，使水圈和大气圈开始具备现代特点。此时有了足够的游离氧，从而使二氧化碳转化为碳酸根，还原硫转化为硫酸根，海水中除了含大量的氯化物以外，又增添了大量的碳酸盐和硫酸盐。随着微生物光合作用的加强，海水中的二氧化碳减少，pH值提高，使古代酸性海水逐渐演变成由氯化物和硫酸盐组成的弱碱性的现代海水。此后，从寒武纪到现在，海水的性质没有很大变化。
三、从汽到水、冰
根据以上事实说明地球内部含有大量的水，这些水是当宇宙中的尘埃凝聚成地球时，同时被封存在地球的原始球粒陨石中。由于当时地球温度很高，原始物质处于熔融状态；地球自转速度也很快（35亿年前，地球自转的速度约为现在的6倍，那时地球上的一天一夜只有4h）。由于地球自转产生的重力离心分异，使重物质下沉，轻物质上升。活动性最强而又是最轻的物质之一的水，便转移到地球外壳。包含在岩浆中的水，也随着岩浆的逐渐凝固被排挤出来。这些被挤压出来的水呈水汽状态，在高空凝结为云，飘浮在地球上空。此后，地面温度逐渐降低，浓厚的水汽逐渐冷凝成水降到地面，形成原始水圈。据估计，大约6亿年前，地表温度降低到300C左右时，岩浆中挤出的水大约有99%都降落到地面，形成为地球表面的水。此后，由于温度继续下降，地表形态的变化，气温在各地的差异等，在某些高纬、高海拔地区，尤其是在寒冷的冰期来临时，水又由气态、液态转化成固态。逐步形成了气态水、液态水和固态水共存，三态相互转换的水圈——现代水圈。

地球形成时就有。

氧气

　　　　　　　　水的起源
　　也许有人会问：这么多的水是从哪儿来的？地球上本来就有水吗？
　　原来地球原始的大气，大不分都是水蒸气。水蒸气又是从那儿来的呢？组成原始地球的固体尘埃，实际上就是衰老了的星球爆炸而成的大量碎片，这些碎片多是无机盐之类的东西，在它们内部蕴藏着许多水分子，即所谓的结晶水合物。结晶水合物里面的结晶水在地球内部高温作用下离析出来就变成了水蒸气。喷到空中的水蒸气达到饱和时便冷却成云，变成雨，落成地面上，聚集在低洼处，逐渐积累成湖泊和河流，最后汇集到地表最低区域形成海洋。 　　
　　地球上的水在开始形成时，不论湖泊或海洋，其水量不是很多，随着地球内部产生的水蒸气不断被送入大气层，地面水量也不断增加，经历几十亿年的地球演变过程，最后终于形成我们现在看到的江河湖海。

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在太阳系里，地球是颗得天独厚的天体，它离太阳不近也不远；温度不太高也不太低；有稠密的大气层和丰富的水资源。据计算，地球上的水的总量达到145亿亿吨。它广布于地球的各个角落。江河湖海是它们的故乡；地下、大气、岩石和矿物中有它们的踪影；甚至在所有生物体中，水几乎占有它们组成物质的三分之二。

水使地球生机盎然，水使地球生命能繁衍生息，水带来了人类文明世界进步。当人们放眼宇宙时，才发现地球与其他行星比较起来，是那么特殊，地球是唯一拥有液态水的行星。那么地球之水是从哪里来的呢？

很多人这么认为，地球之水与生俱来。

太阳系形成假说——星云说认为，地球和太阳系的各大行星，均起源于一个原始星云——太阳星云。太阳星云的物质由三大类组成：一类是气物质，包括氦和氢，占总重量的98.2％；另一类是冰物质，包括水冰、氨、甲烷、氧、碳、氮和氢的化合物，含量约为1.4％；再一类是土物质，主要包括铁、硅、镁、硫等重元素与氧的化合物，它们的数量在星云中只占0.4％。

太阳星云起先是非常疏散的。在万有引力的作用下，大的物质吸引小的物质，最后在中间形成了太阳，周围形成行星。在行星演化的漫长过程中，由于受到中心天体——太阳热力和引力的影响，气物质、冰物质和土物质的分配是不均匀的。它因距太阳远近不同而不同。地球离开太阳较近，所以它主要由土物质组成，也有少量的冰物质和气物质参与。其中参与组成的冰物质就成了地球上水的来源。

科学家认为，地球之水除与生俱来的外，还通过自身的演化而不断地释放。例如在火山活动区和火山喷发时，都有大量的气体喷出，其中水蒸汽占75％以上。还有，地下深处的岩浆中，也含有水分，而且深度越大，含水越多。除此以外，和地球同宗同祖的陨石，里面也含有0.5％～5％的细微水分。由此可以证明，在由土物质组成的地球中参与了一定数量的水。

然而，随着人们对火山研究的深入，有人发现，火山活动时释放的水，并不是新生的水，而是渗入地下的雨水。科学家是通过测定这些水的同位素以后才认识到这一点的。因此这种有根有据的说法无疑对“地球之水与生俱来”的假说是一种挑战。

为了寻求地球之水的渊源，有人把眼光投向了宇宙。他们说，地球之水的主要来源是在地球形成之后，从宇宙中添加进来的。

1961年，有一位叫托维利的科学家提出了一个令人耳目一新的假说。他说，地球上的水是太阳风的杰作。

太阳风顾名思义就是由太阳刮起的风。当然这种风不是流动的空气，而是一种微粒流或叫作带电质子流。太阳风的平均速度达每秒450千米，比地球上的风速高万倍以上呢！当太阳风向近地空间吹来时，绝大部分带电粒子流被地磁层阻挡在外，少量闯进来的高能粒子马上被地磁场捕获，并囚禁在高空的特定区域内。

托维利认为，太阳风为地球作出了有益的贡献，那就是为地球送来了水。这话该怎样理解呢？

托维利经过计算指出，从地球形成到今天，地球已从太阳风中吸收的氢总量达1.70×1023克。若把这些氢和地球上的氧结合，就可产生1.53×1024克的水。这个数字与现在地球上水体的总量145亿亿吨十分接近。更重要的是，地球水中的氢和氘含量之比为6700∶1，这与太阳表面的氢氘比也十分接近。因此，他认为地球之水是太阳风的杰作。

但是，反对这种意见的人提出了质疑：水虽有可能来自太空，却也在不断地向太空散逸。这是因为大气中的水蒸汽分子会在阳光的紫外线作用下发生分解，变成氢原子和氧原子。

氢原子由于很轻，极容易摆脱地球的束缚，飞向星际空间。据计算，它的逃逸数量与进入地球的数量大致相等。因此，他们认为，如果地球之水光靠太空供给，而自身没有来源的话，地球不可能维持现有的水量。

地球上每天都在接纳天外来客——陨石。这些来自太空的不速之客大部分是石陨石和铁陨石，但也有一些是冰陨石。加入地球“家庭”的冰陨石究竟有多少？它们对地球之水的贡献如何？人们从未注意过，也许认为它们的数量微乎其微，无足轻重。

不久前，美国依阿华大学的科学家弗兰克提出一个论点。

原来，弗兰克在研究人造卫星发回的图像时，对1981～1986年以来的数千张地球大气紫外辐射图产生了兴趣。他发现，在圆盘形的地球图像上总有一些小黑斑。每个小黑斑大约存在2～3分钟。这些小黑斑是什么？经过多次分析，否定了其他一些可能之后，他认为这些黑斑是由一些看不见的由冰块组成的小彗星，撞入地球外层大气后破裂、融化成水蒸汽造成的。他还估计，每分钟大约有20颗平均直径为10米的这种冰球坠入地球。若每颗可融化成水100吨，则每年即可使地球增加10亿吨水。地球形成至今已有46亿年历史，这么算来，地球总共可以从这种冰球上获得460亿亿吨水，是现在地球水体总量的三倍以上。即使扣除了地球历年散失掉的水分，和在各种地质作用中为矿物和岩石所吸收，以及参与生物体组成的水之外，仍然绰绰有余。

地球之水来自天外冰球的说法，虽然有一定道理，但也受到了挑战。一些研究者在对旅行者二号航天器拍摄的大量照片研究之后，否定了大量冰球飞入地球的看法。因此，地球之水从哪里来还没有定论。