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第11章 地球之水(4)

水是从哪里来的呢?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,地球上就有了水,有了江河,也有了海洋。

地球上的水是十分丰富的,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%则是陆地上的淡水。

海水每升含盐35克左右,既不能直接饮用,又不能灌溉农田。

陆地上绝大部分的淡水,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%。

这些水在世界上分布非常不均匀,加上人口激增和工农业生产需水量增大,许多地区缺水现象很严重。

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进展,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%。

尽管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严重。

水是一种无色、无味的液体。化学分子式是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,即使不是水也是水的溶液。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,因而漂浮在水面上。

如果没有这一性质,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灭顶之灾。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。

水还具有令人惊讶的热学性质。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。这是水的吸热和放热作用。

水的蒸发也需要巨大的热量,每蒸发1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。

五、几种假说

1.来自星云物质。传统观念认为地球上的水是地球形成时从星云物质中带来的。

如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,而且太阳的引力也已经大大削弱,不能牢牢地抓住易于逃逸的气物质,因此便形成了以冰物质为主要成分的天王星、海王星等天体。

传统理论认为虽然地球主要由土物质组成,但仍有一小部分冰物质也参加到地球的组成中,它是地球水的来源。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,随着对火山现象研究的深入,人们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”,而来自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,证实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。

鉴于以上研究成果,一些主张地球水来自“娘胎”的研究者不得不改变初衷,认为现有的地球水在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,因此即使在火山活动区,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。

在地球水来自星云说的支持者们修改他们理论的同时,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,由托维利首先提出,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。所以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,和部分被风化作用的水。

但是,反对者指出,水虽有可能来自太空,但同时也不断向太空散逸。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,无法使地球维持现有的水量。

很早以前,就有人注意到,不时有来自太空的冰陨石坠入地球。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微乎其微的。

美国衣阿华大学弗兰克等人,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彗星,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的三倍多。除去这个过程中被地面矿物和岩石所吸收的水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关注,有的人甚至嗤之以鼻,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。此外,加拿大科学家在研究了一艘飞船所拍摄的资料以后,也发现存在弗兰克所指出的小黑斑。

综上所述,对地球水的来源当今人们有着不同的认识,究竟孰是孰非,显然还有待于人们收集更多的客观证据。

2.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?

到目前为止,大部分科学家一直认为,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,地球上的水正在缓慢地蒸发,穿越大气层并散逸到太空去。

然而前不久,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。

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