地球上的水用了40多億年,變少了嗎?科學家在一塊石頭上找到答案

天空之城 2022/05/05 檢舉 我要評論

生命是宇宙中的奇跡,迄今為止,我們從未在地球之外發現任何可以確定的生命痕跡,而水是地球上所有已知生命都不可或缺的物質基礎,因此水也被稱為「生命之源」。

研究表明,早在40多億年前,水就在地球上大量存在了。那麼問題就來了:地球的水用了40多億年,變少了嗎?對這個問題,科學界也是非常感興趣的,實際上,在過去的研究工作中,科學家已經在一塊石頭上找到答案,具體是怎麼回事呢?且看下文分解。

首先要講的是,地球并不是一個完全封閉的系統,除此之外,地球的引力也不是想象中的那麼強大,在地球的大氣層中,盡管地球可以憑借引力束縛住像氧、氮這樣的較重元素,也可以束縛住水分子,但對于大氣層中的像氫、氦這樣的非常輕的元素,地球的引力就無法對其形成有效的束縛。

我們都知道,水分子其實就是由氫和氧通過共價鍵結合而成的,所以假如有某種機制能夠將水分子分解成氫和氧,就很可能會出現「氫逃逸、氧留下」這樣的情況,而如果這種情況真的發生了,那就意味著地球上的水變少了。

這樣的機制在地球上是存在的,比如說太陽光中的短波輻射就可以破壞掉水分子內部的共價鍵,從而將其分解成氫和氧,這也被稱為「光解」。

實際上,當地球大氣層中的水蒸氣擴散到高層大氣時,就可能被太陽光「光解」成氫和氧,在此之后,氫就可能會因為密度較小而不斷上升,最終從大氣頂層逃逸。

需要指出的是,在地球引力的作用下,大氣層中的絕大部分水蒸氣都不會擴散到高層大氣,根據科學家的計算,每年大概只有9.5萬噸的氫從地球的大氣頂層逃逸。

這種數量與地球上的水量比起來,可以說是微乎其微,也就是說,地球上的水因為這種原因而出現的損失并不多,另一方面,地球在宇宙空間中運行時,會捕獲到一些游離氫,同時還有一些小天體(如彗星)還會給地球帶來一些水,這足以彌補地球上因為「光解」而損失的水,所以地球還是可以做到動態的「收支平衡」的。

然而地球上的水還可能因為另外的機制而變少,例如當海洋中的海水通過海底巖石的縫隙滲入地下深處的時候,就可能會與高溫巖漿以及其中的結晶基巖發生一系列的反應,進而將水分子分解成氫和氧,科學家將其稱為「產甲烷過程」(Methanogenesis),如下圖所示。

需要注意的是,上圖所示的只是「產甲烷過程」的凈效應,其具體過程需要涉及專業的地球化學知識,這里我們就不展開了。簡單來講就是,這一系列反應能夠把海水中的一部分水分子分解成氫氣和氧氣,這些氣體會上升到海洋表面,然后進入地球大氣層。

現代地球的大氣層中氧含量非常豐富,因此這些氫氣中的絕大部分都會在低層的大氣中就被重新氧化成水,而不會從地球的大氣頂層逃逸,然而地球大氣層并不是一直都是像現在這樣充滿氧氣的,實際上,在大約26億年前的「大氧化事件」發生之前,地球大氣層中的氧氣含量非常低,以至于可以忽略不計。

也就是說,在地球大氣中還沒有足夠多的氧氣之前,那些通過「產甲烷過程」產生的氫氣就會大量地從地球的大氣頂層逃逸,而地球上的水也會因此而變少。

氫元素有三種同位素,能穩定存在的只有「氕」和「氘」,科學家發現,在上述的「產甲烷過程」中,「氕」的效率要比「氘」高得多,這就意味著,那些通過「產甲烷過程」而逃逸的氫氣中的「氕」比「氘」更多,而隨著這個過程的持續,海洋中的「氕」和「氘」的比例就會出現變化。

在此基礎上,我們只需要知道40多億年前地球海洋中的「氕」和「氘」的比例,再利用相關理論建立起模型,并將其與現代地球海洋的「氕」和「氘」的比例進行對比和分析,就可以知道地球在過去失去了多少氫,進而計算出地球上的水在過去變少了多少(畢竟地球上絕大部分的水都在海洋里)。

看到這里,相信大家已經猜到了前文提到的「科學家在一塊石頭上找到答案」是什麼意思了,是的,科學家就是在一塊石頭上找到了遠古地球海洋中的「氕」和「氘」的比例。

這塊石頭髮現于格陵蘭島西部的地質層中,根據測定,這是一塊形成于大約40億年前的蛇紋石,這種石頭通常形成于海底、洋中脊以及俯沖帶,當地殼與通過海底縫隙循環的高溫海水接觸時,就可能會形成蛇紋石,由于在蛇紋石的形成過程中會吸收大量的水,海水中的「氕」和「氘」的比例就會長久地保存下來。

通過對這塊石頭的研究,科學家得出的結論是,與早期地球相比,現代地球海洋的體積變小了大約26%,換句話來講就是,地球上的水少了差不多4分之1。

(圖為這塊石頭在顯微鏡下的樣子)

不得不說,這是一個令人吃驚的答案,不過我們也不必擔心現代地球上的水會繼續大量變少。

正如前文所言,現代地球的大氣層早已充滿了氧氣,而這也就意味著,在現代地球上,那些通過「產甲烷過程」產生的氫氣基本上都會在低層的大氣中就被氧化成水,并不會從地球的大氣頂層逃逸。

退一步講,即使逃逸了極少的一部分,地球上的水也因此而變少了一點,那這些水也比地球上因為「光解」而損失的水少得多,完全可以通過宇宙空間中的游離氫以及富含水的小天體來得到補充,從而在整體上維持一個動態的平衡。

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