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生命是宇宙中的奇迹，迄今为止，我们从未在地球之外发现任何可以确定的生命痕迹，而水是地球上所有已知生命都不可或缺的物质基础，因此水也被称为“生命之源”。  研究表明，早在40多亿年前，水就在地球上大量存在了。那么问题就来了：地球的水用了40多亿年，变少了吗？对这个问题，科学界也是非常感兴趣的，实际上，在过去的研究工作中，科学家已经在一块石头上找到答案，具体是怎么回事呢？且看下文分解。 首先要讲的是，地球并不是一个完全封闭的系统，除此之外，地球的引力也不是想象中的那么强大，在地球的大气层中，尽管地球可以凭借引力束缚住像氧、氮这样的较重元素，也可以束缚住水分子，但对于大气层中的像氢、氦这样的非常轻的元素，地球的引力就无法对其形成有效的束缚。 我们都知道，水分子其实就是由氢和氧通过共价键结合而成的，所以假如有某种机制能够将水分子分解成氢和氧，就很可能会出现“氢逃逸、氧留下”这样的情况，而如果这种情况真的发生了，那就意味着地球上的水变少了。 这样的机制在地球上是存在的，比如说太阳光中的短波辐射就可以破坏掉水分子内部的共价键，从而将其分解成氢和氧，这也被称为“光解”。  实际上，当地球大气层中的水蒸气扩散到高层大气时，就可能被太阳光“光解”成氢和氧，在此之后，氢就可能会因为密度较小而不断上升，最终从大气顶层逃逸。 需要指出的是，在地球引力的作用下，大气层中的绝大部分水蒸气都不会扩散到高层大气，根据科学家的计算，每年大概只有9.5万吨的氢从地球的大气顶层逃逸。 这种数量与地球上的水量比起来，可以说是微乎其微，也就是说，地球上的水因为这种原因而出现的损失并不多，另一方面，地球在宇宙空间中运行时，会捕获到一些游离氢，同时还有一些小天体（如彗星）还会给地球带来一些水，这足以弥补地球上因为“光解”而损失的水，所以地球还是可以做到动态的“收支平衡”的。 然而地球上的水还可能因为另外的机制而变少，例如当海洋中的海水通过海底岩石的缝隙渗入地下深处的时候，就可能会与高温岩浆以及其中的结晶基岩发生一系列的反应，进而将水分子分解成氢和氧，科学家将其称为“产甲烷过程”（Methanogenesis），如下图所示。  需要注意的是，上图所示的只是“产甲烷过程”的净效应，其具体过程需要涉及专业的地球化学知识，这里我们就不展开了。简单来讲就是，这一系列反应能够把海水中的一部分水分子分解成氢气和氧气，这些气体会上升到海洋表面，然后进入地球大气层。 现代地球的大气层中氧含量非常丰富，因此这些氢气中的绝大部分都会在低层的大气中就被重新氧化成水，而不会从地球的大气顶层逃逸，然而地球大气层并不是一直都是像现在这样充满氧气的，实际上，在大约26亿年前的“大氧化事件”发生之前，地球大气层中的氧气含量非常低，以至于可以忽略不计。 也就是说，在地球大气中还没有足够多的氧气之前，那些通过“产甲烷过程”产生的氢气就会大量地从地球的大气顶层逃逸，而地球上的水也会因此而变少。  氢元素有三种同位素，能稳定存在的只有“氕”和“氘”，科学家发现，在上述的“产甲烷过程”中，“氕”的效率要比“氘”高得多，这就意味着，那些通过“产甲烷过程”而逃逸的氢气中的“氕”比“氘”更多，而随着这个过程的持续，海洋中的“氕”和“氘”的比例就会出现变化。 在此基础上，我们只需要知道40多亿年前地球海洋中的“氕”和“氘”的比例，再利用相关理论建立起模型，并将其与现代地球海洋的“氕”和“氘”的比例进行对比和分析，就可以知道地球在过去失去了多少氢，进而计算出地球上的水在过去变少了多少（毕竟地球上绝大部分的水都在海洋里）。 看到这里，相信大家已经猜到了前文提到的“科学家在一块石头上找到答案”是什么意思了，是的，科学家就是在一块石头上找到了远古地球海洋中的“氕”和“氘”的比例。  这块石头发现于格陵兰岛西部的地质层中，根据测定，这是一块形成于大约40亿年前的蛇纹石，这种石头通常形成于海底、洋中脊以及俯冲带，当地壳与通过海底缝隙循环的高温海水接触时，就可能会形成蛇纹石，由于在蛇纹石的形成过程中会吸收大量的水，海水中的“氕”和“氘”的比例就会长久地保存下来。 通过对这块石头的研究，科学家得出的结论是，与早期地球相比，现代地球海洋的体积变小了大约26%，换句话来讲就是，地球上的水少了差不多4分之1。  （图为这块石头在显微镜下的样子） 不得不说，这是一个令人吃惊的答案，不过我们也不必担心现代地球上的水会继续大量变少。 正如前文所言，现代地球的大气层早已充满了氧气，而这也就意味着，在现代地球上，那些通过“产甲烷过程”产生的氢气基本上都会在低层的大气中就被氧化成水，并不会从地球的大气顶层逃逸。 退一步讲，即使逃逸了极少的一部分，地球上的水也因此而变少了一点，那这些水也比地球上因为“光解”而损失的水少得多，完全可以通过宇宙空间中的游离氢以及富含水的小天体来得到补充，从而在整体上维持一个动态的平衡。 参考资料： Emily C. Pope, Dennis K. Bird, and Minik T. Rosing. Isotope composition and volume of Earth's early oceans. DOI: 10.1073/pnas.1115705109 好了，今天我们就先讲到这里，欢迎大家关注我们，我们下次再见。 |
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