地球上的水到底从何而来?地幔岩石证明“天生自带”
2015-11-15 16:47:00   来源:中国新闻网
内容摘要
美国夏威夷大学马诺阿分校研究人员分析了来自加拿大巴芬岛的岩石数据,发现其中含有微量的水,这些水的氢氘比与其他地方的水很不一样。氢的原子质量是1,而其同位素氘(也叫重氢)是2。科学家发现,太阳系中不同行星上的水有着不同的氢氘比。

地球表面超过2/3被水覆盖,但这些水最初是从哪来的还是个谜。美国夏威夷大学马诺阿分校研究人员2015年11月13日在《科学》杂志上发表论文称,他们分析了来自加拿大巴芬岛的岩石数据,发现地表水从一开始就是地球的一部分。

该校天体化学家、美国国家航空航天局天体生物研究所博士后利迪雅·霍利斯带领的研究团队利用先进的离子微探测仪集中研究了巴芬岛岩石里所含玻璃内的微小泡泡,发现其中含有微量的水,这些水的氢氘比与其他地方的水很不一样。氢的原子质量是1,而其同位素氘(也叫重氢)是2。科学家发现,太阳系中不同行星上的水有着不同的氢氘比。

霍利斯解释说:“巴芬岛岩石是1985年收集来的,科学家们有足够时间来分析它们。研究的结果是,这些岩石包含了地球深部地幔的成分。”

在这些岩石来到地表的途中,绝不会受来自地壳岩石的沉积物的影响。以往研究表明,它们的源头自地球形成之日起,就原封未动。从根本上说,这些岩石是在地球表面发现的最原始岩石,所以其中包含的水能提供极有价值的线索,揭示地球的早期历史和水从哪里来。

霍利斯说:“我们发现,这些水所含的氘非常少,强烈显示水分子在形成和变冷后,并不在地球上,很可能是在各行星形成之前围绕着太阳的星际尘埃上。随着时间的推移,这富含水的尘埃慢慢结合在一起,形成了我们的地球。在地球形成过程中,虽然地表大量的水因加热而蒸发,但还是有足够的水留了下来。”

霍利斯说:“这是个令人兴奋的发现,只不过多年前我们的技术还无法确定这一点。今后,我们希望在这一领域作进一步研究。”


专家:地球上的水来自哪里 哪种说法更靠谱?

关于地球上水的来源,有两大说法:自源说和外源说。

自源说认为地球的水来自于地球本身。地球起源时,形成地球的物质里面就含有水,或者包含组成水的元素氢和氧,氢和氧在适宜的条件下化学反应生成了水。

在地球形成的一个阶段,温度很高,水或者在高压下存在于地壳、地幔中,或者以气态存在于地球大气中。后来随着温度的降低,地球大气中的水冷凝落到了地面。岩浆中的水也随着火山爆发不断释放到大气、降落到地表。汇集到地表低洼处的水就形成了河流、湖泊、海洋。

地球内部蕴含的水量是巨大的。地下深处的岩浆中含有丰富的水,实验证明,压力为15千巴、温度为1万摄氏度的岩浆,可以溶解30%的水。火山口处的岩浆平均含水6%,有的可达12%。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。

地球岩石矿物中也含有结晶水和晶格水。结晶水是作物水合物分子组成部分的水,例如五水硫酸铜中的水。晶格水是矿物的晶体格架里面掺杂的少量的H2O水分子。在合适的条件下,这些岩石中的水就会被释放出来。

不过,更大量的水存在于地幔中。澳大利亚地球科学家泰德·凌武德发现了以他的名字命名的尖晶橄榄石,这种矿物质的1.5%是由水分子构成的。在凌武德发表的一篇报告中提到,地幔的过渡层,即“三明治夹层”内具备超高压、超高温等条件,因此那里富含钻石,也符合尖晶橄榄石这种矿物质的产生条件。

尖晶橄榄石在陨石中普遍存在,但在地球上的岩石中却极少发现,起码在2008年以前科学家认为这种矿物质只存在陨石中。

2014年3月,来自加拿大阿尔伯塔大学的格拉汉姆·皮尔森等在英国《自然》杂志发表报告,宣称新发现的尖晶橄榄石样品。提供了足够充分的证据,证明地幔上下层之间的过渡带存在水分,而且按照岩石中的水分存在比例,水资源储量相当丰富,有望超过全球海洋总水量之和。

地幔上下层之间的过渡带厚度约为25千米,占据地球内部的一个椭圆体区域,约占地球质量的7.5%,以平均含水量按1%计算,存水质量为4.485×1010亿吨,是现今地球表面的水贮量(包括液态水、固态冰雪和气态水汽)1.3860×1010亿吨的3倍多。

地幔中的水,因为地壳俯冲形成的上升通道可以进入地幔与地壳之间的软流层岩浆中,并随岩浆活动而达到地表。按此理论,地表的液态水很大部分是内部的水慢慢渗出而积累起来的。有人估计自地球诞生以来,深层岩浆活动带给地表的水占当今海洋贮水量的一半,又有人估计火山活动喷出来的水相当于海洋贮水量的一半。

外源说认为地球的水来自外空:彗星、陨石和太阳风。

碰撞到地球的彗星、降落到地球的陨石,其成分含有一定量的水,一般为0.5%到5%,有的高达10%以上。其中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%。降落到地球的陨石把水分带到了地球。

但是,不可想像在地球形成之后,会有如此多的陨石带来如此多以至于形成地球海洋的水量。而且如果光有陨石而缺乏把其中的水释放出来的地球物理化学作用,陨石中的水也根本转变不成液态水。所以,认为地球上的水是地球形成后陨石带来的观点不成立。

另一种外源说认为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吨这种“宇宙水”。然后,这种水以雨、雪的形式落到地球上。但太阳风形成的水是如此少,在地球45亿年生命史中,也不过形成67.5亿吨水,与现今地球表面的水贮量(包括液态水、固态冰雪和气态水汽)1.3860×1010亿吨相比,不过九牛一毛。这也说明地球的水还是以自源为主。

看来地球的水既有自源的,也有外源的,但以自源为主要来源。

目前地球表面的水,或许在地球形成初期就有了一部分,例如存在于原始大气中的水、存在于地表岩石中的水;后来又从天外陨石、彗星、太阳风中获得了少部分;而主要的部分是地球内部通过岩浆活动渗出来的。

既然地球可以自生水而形成水球,一个自然的问题是与地球有同样起源的其他星球,如火星、月亮为什么没有液态水存在呢?甚至连水的踪影都找不到呢?

液态水能否存在的一个控制因子是温度。太阳等星球温度太高,连水分子都不能存在而分解成了原子,所以根本没有水;有的星球例如金星,温度不算太高,水分子可以存在,但温度超过了水的沸点,水都蒸发了,所以没有液态水;有的星球例如火星,温度低于水的冰点,即使有水也都结冰了,所以也没有液态水。


地球水量基本保持不变 每一杯水都含有恐龙尿

据报道,地球上的水量几百万年来基本保持不变。每年,以降雨形式来到地球的水大概有12.1万立方英里,这意味着这些水一直是在地球内部循环的。下次喝水时,记住,你喝的可能是恐龙尿!

恐龙统治的中生代大概持续了1.86亿万年。而相比之下,人类生活在地球只有20万年。查尔斯•费旭曼(Charles Fishman)在他的书《The Big Thirst》中说,组成水的分子反复循环,他们都活了几百万年了。好奇大脑的一个会员说:“大部分水分子都未被人类饮用,但每一个分子都被恐龙饮用过。意思是说,在你喝的每一杯水里,都有很多来自恐龙的水。”

史蒂夫•麦克斯韦(Steve Maxwell)和斯科特•叶茨(Scott Yates)所著书《The Future of Water: A Startling Look Ahead》中给出了同样的结论:“我们喝的水就是当初恐龙喝过的水,世界上的水量也是一直相同的。化石燃料燃烧之后就永远消失了,但水一直在。”


10亿人所依赖的地表水已无法再生,如何为地球补水?

“地球的资源足够为全人类所用吗?”在各式建筑争奇斗艳的米兰世博园中,塔楼式的瑞士馆并不显眼,但写在外墙上的这句话,却一针见血地指出了全人类面临的问题:科技发展、经济增长、人口激增,都需要地球资源的支持。如今,土地、生物、能量等自然资源,都出现了不同程度的短缺,而最突出,也是直接影响人类生存和发展的,莫过于水资源日益枯竭。

水,本是地球为数不多的可再生资源,现在,一些科学家否认了这种观点。全球合作遥感科学与技术中心教授查理斯·弗罗斯马蒂(Charles Vrsmarty)就发出了这样的警告:“我们发现,水危机已经到了临界点。目前,约有10亿人所依赖的地表水,无法作为可再生水源使用。”

据统计,目前全球约有45亿人的居住地周围50公里以内的水源被污染,或者日渐枯竭。农业生产排入海洋的氮类物质在河流入海口制造的“死亡水域”超过200个。在一些地区,地下水已经被抽空,导致海水侵入地层,地下水变咸之后无法继续使用,居民不得不背井离乡。

事实上,水资源枯竭还会引发一系列连锁反应,首当其冲的就是粮食安全问题。在欧洲,由于粮食生产和农业灌溉的需要,很多地表水资源也逐渐干涸,无法持续为人类正常供水。联合国报告称:到2025年,世界上将有一半人口生活在缺水地区。同时,随着人口数量进一步增长,到2050年,全球必须多生产50%的食物才能养育地球上的所有人。

保护水资源已经成为迫在眉睫的事情。那么,以“滋养地球,生命能源”(Feeding the Planet, Energy for Life)为主题的2015年米兰世博,将会给人们带来什么样的启发?科学家和技术人员能拿出什么样的解决之道?

海水淡化的难题

海水淡化是环境专家和农业专家在米兰世博会提出的重要解决方案之一。在主题展示区之一的“未来食物区”中,人们可以看到一种名为“海上农场”的新型农业栽培装置。虽然只是一个雏形,但这种漂浮在海上的种植系统,利用太阳能,能将海水经过蒸馏系统,直接淡化成能耕种、滋养植物的淡水,配合相应的营养成分,甚至可以替代土壤,成为农作物的培养基。据媒体报道,西班牙、中国香港等国家和地区也正在积极筹谋海上农场项目,在海水淡化技术和更新农业生产方式上双管齐下。

地球表面被70%的海水覆盖,一旦海水被人类科技便捷地转化成淡水资源,在很大程度上,可以缓解水资源枯竭和污染的问题。在世博会的其他展馆内,人们也可以看到科学家对海水资源开发的新动向。

阿联酋馆的沙墙中镶嵌了数十米长的3D触屏,以互动的方式介绍该国应对水资源的策略。由于地处地球回归线,阿联酋气候炎热干燥,是典型的热带沙漠气候,年均降水量100毫米,蒸发量却超过3500毫米,97%以上的土地是荒漠和盐碱地。为弥补水源的不足,政府投入巨资在阿布扎比、迪拜和沙迦等地建造大型海水淡化厂,铺设大口径的供水管道,将淡化水输至各个城市。

为了涵养当地的植物,阿联酋的科学家采用了节水型的滴灌技术,通过滴灌网络直接将水输送到植物根部,既缩短淡水灌溉植物的距离,又避免水在运移过程中因为蒸发而流失,大大减少了水分蒸发比率,提高了淡水资源的利用率。此外,当地农业专家还用水管把海水引入100多公里外的沙漠低洼地,造出数个巨大的人工湖,发展海水养殖业。

但关键的问题是,在阿联酋,每栽活一棵树的平均成本为120美元,输水管每十年就必须更换。有专家估算,当地每公顷土地滋养的费用超过1万美元,未来,阿联酋至少还将为此投入数百亿美元。阿联酋在海水淡化和植被养护方面的做法未免“土豪”,并不是所有国家和地区都能推广和效仿。不过,中国科学院植物研究所副研究员李银心认为:“也许有一天,当技术足够成熟时,海水淡化的成本能像生产自来水一样廉价。”

都市农业的秘密

对水资源的保护无非开源和节流,按照目前的技术,开源的成本尚待降低,那么在节流上,人类又会展现出怎么样的智慧?

以“未来的农田”为主题的以色列馆,为人们提供了另一种思路。在长70米、高12米的场馆外墙上,种满了水稻、小麦和玉米等农作物,以及绿色植物的“垂直花园”格外引人注目。负责设计以色列馆的建筑师大卫·纳夫(David Knafo)介绍说:“这座独特的"花园"设计,旨在展示以色列在农业科技、应对干旱等领域的先进技术。”以色列也是一个缺水的中东国家,南部沙漠占国土面积60%,年降水量不到200毫米。

大卫所在的建筑设计事务所与专业种植技术公司绿墙(Greenwall)合作,设计的这种“垂直花园”,其核心技术垂直种植技术,以及节水型灌溉的滴灌技术,已经发展得相当成熟,谷歌、微软等公司都使用了绿墙的种植技术在墙面上栽种植物。配合滴灌技术,“垂直花园”只需要1500升水就能生产出1公斤水稻,而传统方法需水量是3000升。“垂直花园”让住在高楼大厦的都市居民,也可以用少量的水和土壤种植粮食和蔬菜。

事实上,英国、法国,以及中国台湾都有相应的“垂直花园”种植技术。比如,位于英国伦敦维多利亚车站附近的一座建筑大厦,新建了一座高达20.7米的“垂直花园”。整个墙面种植了1万多株蕨类植物和草本植物。“花园”所用的16吨土壤,能够存储1万升水。

如今,这座“垂直花园”不但成为伦敦观光旅游的新亮点,在每年多雨的夏季,收集从楼顶上落下的雨水,在滋养植物生长的同时,也解决了大厦因为多雨天气可能遇到的渗水等问题。有植物专家建议,无论是干旱还是多雨的城市,都应该推广这种都市农业种植技术,不但可以节约淡水,还可以通过植物和农作物调节城市水资源,防治洪涝灾害。 (如需转载,请注明来源自科技世界网)