地球上的水是哪來的?用了40多億年,水變少了沒有?

衆所周知,地球表面存在着大量的液態水,以至於地球表面有大約70%的面積都被由液態水構成的海洋覆蓋。相關研究表明,早在40多億年前,液態水就已經在地球上出現了,那麼,地球上的水是哪來的呢?用了40多億年,水變少了沒有呢?下面我們就來聊一下這個話題。

根據科學界的主流觀點,太陽系形成於一片巨大的原始星雲,這被稱爲“太陽星雲”,在大約46億年前,“太陽星雲”因爲某種外界的擾動而發生了引力坍縮,在坍縮過程中,太陽首先在星雲的中心位置生成,殘餘的物質則一邊圍繞着太陽運行,一邊繼續碰撞與吸積,最終演化成了太陽系中包括地球在內的衆多天體。

從已知宇宙的元素丰度可以看到,構成水的氫元素和氧元素都是宇宙中很常見的元素,而由於氧元素的化學性質非常活潑,它們很容易與氫元素髮生反應並生成水,因此我們不難推測出,在“太陽星雲”之中,本身就含有大量的水。

然而,“太陽星雲”中有大量的水,並不意味着地球在形成之初就一定可以擁有很多水。

對此,有一種觀點認爲,在太陽形成之後,它釋放的能量會使其附近一定距離範圍內的水都以水蒸氣的形式存在,同時驅動着它們向外散逸,而地球的形成是一個從小到大的過程,只有在地球的質量增大到一定程度的時候,其產生的引力纔可以束縛住水蒸氣,所以在地球最終“成長”到可以束縛水蒸氣之時,它所在的區域已經沒有剩下什麼水了。

也就是說,在地球形成之初,其實是非常缺水的,另一方面來講,由於太陽的熱輻射會隨着距離的增加而不斷減弱,當達到一定程度時,水就會被凍結成固態的冰,變得很容易吸積,因此那些形成於距離太陽更遠的天體,通常都會含有大量的水。

所以該觀點推測,地球上的水,應該主要來自於那些形成太陽系“外側”的小天體(如小行星、彗星),畢竟早期太陽系可以說是一片混亂,經常會有小天體撞擊地球,特別是在大約38億至41億年前的“後期重轟炸期”,這樣的事件更是多得難以計數。

不過也有觀點認爲,原始的地球就已經有很多水了,其理由是,在太陽系形成之初,水會以“結晶水”的形式存在於多種礦物之中,而在地球的形成過程中,這種富含水的礦物是可以被大量吸積的。

隨着原始地球的“個頭”不斷變大,大量的碰撞所產生的熱量也在持續累積,其溫度也越來越高,當達到一定程度時,這些礦物中的水就會被釋放出來,並因爲高溫而以水蒸氣的形式存在,而在這個時候,原始地球的質量已經足夠大,其產生的引力已經可以將這些水蒸氣牢牢的束縛在地球的上空。

在地球最終形成之後,其運行軌道上絕大部分物質都被“清空”,沒有了頻繁的碰撞,地球就開始持續降溫,當溫度降低到一定程度的時候,那些水蒸氣就大量地凝結成液態水,進而降落到地球表面。

近些年來,隨着相關研究的深入,科學家發現這兩種觀點都有各自的證據支撐,所以科學界普遍認爲,地球上的水應該是內源和外源共同作用的結果,不過就目前的情況來看,科學家並不確定到底是來自哪種渠道的水更多。

那麼,地球上的水用了40多億年,變少了沒有呢?我們接着看。

正如前文所言,即使是水蒸氣也會被地球的引力牢牢地束縛住。之所以會這樣,其實是因爲水分子的分子量較大,但問題是,水分子的內部結構並不是想象中那樣穩定,只需一定的能量輸入,就可以使其分解爲氫和氧,由於地球的引力不足以束縛住氫,因此一旦出現這樣的情況,氫就有可能從大氣層頂逃逸,進而使地球上的水變少。

實際上,在地球自然界中就存在着可以將水分解的機制,比如說太陽的短波輻射(主要是紫外線)就有一定的概率直接將水“光解”氫氣和氧氣,除此之外,當地球上的海水通過岩石圈的縫隙滲入到地下深處時,有可能會與高溫岩漿以及其中的結晶基岩發生一系列的反應,其淨效應就是將水分解成氫氣和氧氣。

所以一個合理的推測就是,經過了40多億年的漫長時間之後,地球的水應該是會變少的。實際情況也確實是如此,因爲在過去的日子中,科學家已經通過地質記錄、化學同位素變化、大氣逃逸現象模擬和古氣候模型等多方面研究估算出,現代地球的海洋體積相比40多億年前縮小了26%左右。

幸運的是,現代地球的大氣有21%都是氧氣,而在富氧的環境中,即使是水被分解,其產生的氫氣也很容易重新被氧化並生成水,因此與遙遠的過去相比,現代地球上水的流失量是非常少的。

在此基礎上,再加上地球在圍繞太陽運行的過程中,也會時不時地從宇宙空間中捕獲到一些水或者含氫的物質,所以從整體上來看,現代地球上的水可以做到動態的“收支平衡”,至少在未來的10億年裏,地球上的水都不會明顯地減少,因此我們不必對此感到擔心。