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广阔的水源

时间:2019-08-27    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大

广阔的水源

很早以前,地球表面既没有水柔浪细,也没有浩瀚无垠的海洋。由于地

表温度很高,所以没有液态水,水全部以蒸汽的形式存在于大气层中。

水从何处来呢?有的科学家认为,在地球形成、演化过程中,随着地表

不断散热,大气中水蒸气先浓缩成密度很大的蒸汽云,而后由于地球冷却,

水汽凝结成水,便下了一场空前绝后的倾盆大雨。于是,地球上有了水,有

了江河,也有了海洋。

地球上的水是非常丰富的,全球的水量约为 14 亿立方千米,其中海洋占

了地球全部水量的 97%,它们是水圈的主体,其余的 3%则为陆地上的淡水。


海水每升含盐 35 克左右,既不能直接饮用,又不能灌溉农田。

陆地上的淡水,绝大部分以冰的形式分布在南北极及人迹罕至的高山地

区,还有的深埋在地下,人类无法或很难利用,这部分水占全球水储量的 2.7

%左右。只有存在于大气和河流、湖泊中,以及浅层地下的淡水,才能够被

人类直接利用,这就是平常所说的水资源,约占全球水储量的 0.3%左右。

这些水在世界上分布很不均匀,加上人口激增和工农业生产需水量增大,许

多地区缺水现象十分严重。

尽管现在在发展废水脱盐、净化和回收利用技术方面取得了很大的成

就,但淡水的消费量却与日俱增。自 20 世纪初以来,全世界淡水的消耗量已

增长 7 倍多,现在每年大约消耗 3000 立方千米,在今后 20~30 年内,保守

地估计,耗水量至少还要增长 50%。

虽然水是可以循环和再生的自然资源,但它并不是取之不尽、用之不竭

的。随着人口的增加、环境污染的日趋严重、水质的恶化,全球性的水资源

危机愈来愈来严重。

水是一种无色、无味的液体。它的分子式是 H2O,表示 1 个水分子中有 2

个氢原子和 1 个氧原子。

人们日常生活中所接触的液体,一般不是水就是水的溶液。因为除去油

类之外,各种各样的饮料、调料,甚至汗水、血液都是水溶液,所以水是一

种很不平常的物质。水能溶解许多东西,它有时也会把有害物质溶解并加以

传播,造成污染。

液态水的最大密度是 1(4℃时),而固态冰比水轻,所以漂浮在水面上。

如果没有这一性质,那么水体在冬季时便会一冻到底,这对于水中的一切生

物将是一场灾难。漂移在海洋里的冰山会撞沉过往的船只,造成海难事故;

顺河而下的浮冰可以阻塞河道,造成河水泛滥。

在一个大气压下,水的冰点是 0℃,沸点是 100℃。在地表普通的热力条

件下,水以三态(气态、液态、固态)并存,这些都是水的奇特之处。

水还具有惊人的热学性质。水的热容量,即水温升高(或降低)所吸收

(或释放)的热量,在所有天然化合物中属最高之列。因此,水既难变热,

又不易变冷,这在一定程度上调节了大气的温度。当夏天烈日炎炎时,水体

吸收热量,从而使大气温度不会升太高;当冬季冰冻三尺之时,水体又会放

出大量的热量,从而使气温不会降得太低。常到海边的人们就会体验到,夏

天海边比内陆地区凉爽,冬天比内陆地区温暖;生活在湖泊、水库周围的人

们同样会感到夏凉冬暖。这就是水的吸热和放热作用。

水的蒸发也需要巨大的热量,蒸发每克水需要消耗 2257 焦耳热量(水的

气化热)。也就是说,当水在变为水蒸气时,热量潜入水蒸气中;而当水蒸

气冷却、凝结成水时,水蒸气把气化热又释放出来,这就是为什么下雨前天

气闷热的原因。蒸发——降水循环过程就是这样将海洋的热量带向陆地的,

这种热传递现象对全球具有极大影响。

几种假说

1.来自星云物质

传统的观念认为,地球上的水是地球形成时从星云物质中带来的。

在当今流行的太阳系形成假说—星云说中,认为星云物质是由三大类物

质组成的。一类是气物质,包括氢和氦,它们占有星云物质总量的 98.2%;

另一类是冰物质,包括水冰、氨、甲烷等由氧、碳、氮和氢组成的化合物,


其含量约占 1.4%;第三类是土物质,主要包括铁、硅、镁、硫等重元素与

氧的化合物,是一些在温度高达 1000 摄氏度左右时也是固态的物质。由于受

到中心天体—太阳的热力和引力的影响,这三类物质在组合成行星时,将因

距太阳远近的不同而有不同的比例。一般来说,距太阳较近时,太阳的热力

把气物质和冰物质都驱散,便形成以土物质为主要组成的行星。水星、金星、

地球和火星即属于此类。距太阳稍远,太阳的热力已不足以赶走气物质和冰

物质,因此便形成了与星云物质具有相似组成比例的木星和土星。距太阳更

远时,不仅热力不足以驱走冰物质,而且由于太阳的引力也已大大削弱,不

能牢牢地抓住易于逃逸的气物质,所以便形成了以冰物质为主要成分的天王

星、海王星等天体。

传统理论认为,地球虽然主要由土物质组成,但仍有一小部分冰物质也

参加到地球的组成中来,这便是地球水的来源。这一理论认为,这些参与地

球组成的水,是通过地球的演化不断从地球深部释放出来的。其证据是,在

火山活动区和火山喷发时,都会有大量的气体出现,其中占绝大比例的是水

汽。

但是,随着人们对火山现象研究的深入,发现与火山活动有关的水,并

不是什么从深部释放出来的“新生水”,而是地球现有水体循环的一部分。

如 1966 年,克莱因对世界各火山活动区与火山有关的热水所作的氘分析,证

明它们与当地的地面水具有相同的同位素比,从而确认它们是渗入地下的地

面水,在火山热力的作用下重新上升的产物。稍后,其他研究者对某些地区

火山热力所作的氘分析,又发现有的含氘高达 91T.E.以上。高含量的氘是人

工核爆炸的结果,这就更进一步说明有些火山热水,只不过是新近渗入地下

的雨水。

鉴于以上这些研究成果,一些主张地球水来自“娘胎”的研究者就不得

不改变初衷,认为现有的地球水是地球演化的早期就从深部分离释放出来。

目前这一释水过程早已结束,所以即使在火山活动区,我们也很难找到新释

放出来的“新生水”,而只能看到现有水体的反复循环。

太阳风带来的

在地球水来自星云说的支持者们修改他们的理论同时,也有一些研究者

把眼光转向了宇宙空间。他们认为,地球上的水是或主要是地球形成以后,

从宇宙空间不断添加进来的。

1961 年,托维利率先提出,地球水是太阳风的杰作。太阳风是太阳外层

大气向外逸散出来的粒子流,在地球轨道附近,太阳风的平均速度达每秒 450

公里左右,每立方厘米有几个粒子。粒子的主要组成是电子和氢原子核—质

子。托维利据计算指出,从地球形成至今,地球已从太阳风中吸收氢的总量

达 1.70×1022 克。如果把这些氢全部与地球上的氧结合,即可产生 1.53×1024

克的水。这个数字与现有地球水体的总量 145 亿亿吨(1.45×1024 克)是十

分接近的。更重要的是,他指出,地球水中的氢与氘含量之比为 6700∶1,

这与太阳表面的氢氘比也是十分接近的。因此他认为这应是地球的 3 倍有

余。即使扣除了地球历年散失掉的水分,和部分水在风化作用过水来自太阳

风的最有力证据。

但是,反对者指出,水虽有可能来自太空,却也在不断向太空散逸。这

是因为大气中的水蒸气分子会在阳光的紫外线下发生分解,变为氢原子与氧

原子,氢原子由于很轻极易摆脱地球引力的束缚,飞向行星际空间。据计算,


其逃逸量与进入地球的量大致相等。因此他们认为,如果没有来自地球本身

的水,不足以使地球维持现有的水量。

来自太空冰球之说

很早以前,就有人注意到,地球上不时有来自太空的冰陨石的加入。但

每年登陆的冰陨石究竟有多少?它们对地球水体的形成有何作用,却缺乏足

够的估计。许多人认为其数量是无足轻重的。

美国衣阿华大学弗兰克等在研究 1981 年~1986 年以来,从人造卫星发

回的数千张地球大气紫外辐射图像时,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二三分钟。这些小黑斑是怎么回事?经过多次

分析和否定了其他一些可能以后,他们认为这些黑斑是由一些看不见的冰块

组成的小慧星,撞入地球外层大气后破裂、融化成水蒸气造成的。他们还估

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

年的历史,则地球总共可从这种冰球获得 460 亿亿吨水,是现在地球水体总

量程中为地面矿物和岩石所吸收,以及参与生物机体组成的水,仍是足足有

余。

起初,弗兰克的这一假说并没有引起人们的多大注意,甚至有的人嗤之

以鼻,不屑一顾。但是最近在美国召开的地球物理学会上,来自美国加州和

加拿大的两份报告大大加强了这一假说的地位。加利福尼亚喷气推进实验室

的克莱因・耶茨,使用了一种高倍数的空间探索望远镜在空中搜索这种冰球,

并发明了可以利用这种望远镜进行追踪的装置,结果,他捕捉到了冰球向地

球急速飞来的景象,据说,其速度大约每小时 3500 公里,并在距地 1600 公

里的高空开始破碎。另外,加拿大科学家在研究了一艘飞船所拍摄的资料以

后,也发现有弗兰克所指出的小黑斑。

综上所述,当今人们对地球水的来源存在着不同的认识,究竟孰是孰非,

显然还有待于人们收集更多的客观证据。

来自彗星

水与人们的生活和生产紧密相联。可是,你可曾想过:地球上的水来自

哪儿?

到目前为上,大多数科学家一直认为,地球上的全部水在地球形成之日

就先以蒸汽的形式存在于炽热的地心中,然后,在地球最初 5 亿年的燃烧过

程中,水蒸气从火山口爆发出来,冷却而形成河流、湖泊和海洋。他们还认

为,地球上的水在缓慢地蒸发,穿越大气层并散逸到太空去。

可是前不久,美国衣阿华大学一个以天体物理学家弗兰克为首的著名的

研究小组,向这一传统理论提出了尖锐的挑战,发表了地球上的水可能来自

彗星的新假说。他们认为,地球上的水不是来自地心,而是来自太空,是从

地球形成之日起才慢慢地注入地球上来的,且其总体积亦在缓慢地增加。人

类现在是、过去也一直是喝着源头在地球之外的水,并在这样的水中捕鱼、

游泳,用这样的水洗衣、煮饭。

弗兰克等人发现,在太阳系中存在着一个由冰雪球组成的彗星海。彗星

海中每一颗彗星的体积并不比一间住房大多少,犹如沧海一粟。因而在太阳

系这个大家族中一点也不引人注目。但它们的数量却多得惊人。自 45 亿年前

地球诞生以来,它们就在地球引力的作用下,以 20 马赫的速度和每分钟大约

20 颗,即每小时 1200 颗、每天 28800 颗的数量,成群结队地向地球冲来,


日复一日,从未间断。当它们到达距地面 1400 公里~2400 公里的高度时,

引力作用、太阳辐射和大气摩擦的撞击力结合在一起,把它们击得粉碎,变

为细小的冰微粒消散到稀薄的大气流中去,最终以雨或雪的形式降落到地

面,使地球的宽度每年约增加四千分之一厘米。这使地球在经历过地质年代

之后,就足以形成我们今天所知的河流、湖泊和海洋。

如果弗兰克的假说是正确的话 ,将能够用来解释大量的地球物理学之

谜。例如,当更多的彗星来到地球,形成足够厚的球状冰云覆盖地球、遮挡

阳光时,恐怕就出现了冰河时期。由于该覆盖层引起了剧烈的气候变化,从

而导致我们所知的整个生物种包括恐龙的大量灭绝。又如,当复杂的有机物

分子被包在冰雪覆盖着的彗星内部时,完全能够安全地穿越大气层而降落到

地面上,从而可能为地球上的生命来自宇宙空间这一长期设想提供新的凭

证。某些外空生物学家的研究发现,在彗星水中隐匿着某些特别复杂的分子,

这可能用来解释从黑死病到爱滋病的突然暴发。

彗星海不仅向地球输送了大量的水,而且可能曾向木星和天王星某些表

层至今仍然是冰的卫星输送过水。火星两极的白色冰帽可能就是彗星冰,而

神秘的火星运河则可能是在 火星的青春期被流动的彗星水冲刷出来的。同

样,土星光环之间的辐射带,很可能是彗星飞快地从一个光环冲向下一个光

环时扬起的尘埃造成的。

正如弗兰克本人所说的,如果这一假说是正确的,则十几个领域整整一

代的科学家们都是根据恰恰并不正确的地球物理学的假设从事工作的。教科

书将不得不重新改写,现代地质学、地球物理学等十多门学科中的现有理论

将要受到检验。因此,这一假说的影响无疑是深远的。

黑色斑点

弗兰克是位一丝不苟的研究学者。关于地球上的水来自彗星的新假说的

提出,凝聚了他与他的同事们五年多的心血。1981 年,弗兰克与克拉文一起

为“动力学探测者—I 号”卫星研制了一套光学系统,装上了两台可见光摄

像机和一台紫外摄像机,用来拍摄大气和大气层中电活动现象的照片。由卫

星传送回来的照片十分壮观,不久就出现在杂志和教科书上,弗兰克也被邀

请到世界各地去播放他的幻灯片。

但是,奇怪的现象也同时出现了。当用紫外摄像机拍照并用计算机着色

后,地球受到太阳照射的那一面上空的大气本应形成均匀一致的、明亮的桔

黄色。与此相反,科学家们一眼就看到了桔黄色的地轴上布满了很多黑色的

小斑点,每个黑色斑点突然出现,停留了几分钟,然后又消失。这些黑色斑

点是什么?开始时,可能是由于弗兰克正集中精力研究极光、等离子体等而

无暇顾及。这一现象并未引起他的重视,只是想当然地认为,它们是由某种

电子干扰造成的,并以此来回答其他科学家们提出的疑问。直到 1982 年底,

他的学生利用计算机对卫星照片进行信息处理时,发现计算机“读出”的照

片上黑色斑点数据时而运行时而停止的反常现象。这才引起了弗兰克的注

意,促使他去揭开黑色斑点之谜。

但那时弗兰克仍然认为这些黑斑是由于卫星在传送照片的过程中,很偶

然地受到来自其他卫星、闪电或地面无线电波发射台的干扰而形成的。为了

证实这一点,他收集了过去十年间陨星进入大气层的雷达记录,把陨星残骸

的运动与黑色斑点的运动进行对比分析。出乎他的意料之外,黑色斑点的运

动方式与陨星残骸的运动方式完全一致。这无疑向他表明,同陨星一样,黑


色斑点是某种客观存在的物体,而不是电子干扰造成的。因为,若是后者的

话,黑斑的运动方式应该完全是随机的,没有任何规律可循。

为了证实黑斑确实是客观存在的物体,1985 年,弗兰克又进一步做了如

下试验:把紫外摄象机镜头对着大气层外缘的氢气进行拍摄,发现氢气云恰

似“早晨的浓雾”。当他们把镜头的焦点调到氢气云的里面时,他们既惊讶

又高兴地看到了“几十个黑色的大圆盘”从大气层外起飞,然后落入大气层

之中,朝着地面迎面飞来。这些圆盘开始时很小,但随着时间的推移,变得

越来越大,越来越黑。这一观测结果,不容置疑地向他们表明:黑色斑点的

确是客观存在的某种物体。弗兰克还估算出,这种物体的直径大约在 48 公里

左右。

那么,它们究竟是什么物体呢?弗兰克等人提出了各种各样的假设,又

很快——放弃了。例如,他们曾设想,可能是陨星碰撞大气,使低空的分子

氧受热,形成巨大的气体云而上升。但弗兰克计算出,要产生体积如此之大

的气体云,陨星的直径应在 100 公里左右,因而在穿越大气层过程中不可能

完全被烧毁,而要落到地面上来。倘若每分钟有 20 颗陨石落在地球上,人类

就不得不生活在洞穴里。这显然一点也不符合现实情况。

最后,弗兰克研究小组对大气中所有数量充足的分子一一进行了分析。

他们发现,只有水分子才能吸收频带足够宽的波长而呈现黑色。这使他们确

信,照片上的黑色斑点是由于高层大气中存在着由大量的水分子聚集而形成

的气体云造成的。那么,如此之多的水分子是从哪儿来的呢?正是从那时起,

他们才把目光转向彗星,即银河系中往返运动着的冰雪球。他们计算出,冰

球的直径必须为 9 米~12 米,并要覆盖有足够厚的松软的雪,才能在大气外

层形成 48 公里宽的气体云。于是,照片上的黑色斑点的出现和消失就得到了

圆满的解释:当彗星进入大气层,在大气摩擦、太阳辐射和地球引力的作用

下被粉碎而形成云时,就出现黑斑;当云以水蒸气形式消散到大气下层时,

黑斑也就消失。

黑色斑点之谜终于被揭开了。

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