经过了38亿年,地球上的水变少了吗?科学家在一块石头中找到答案

魅力科学君 2024-04-25 18:59:51

据我们所知,至少在38亿年前,广袤的海洋就已经在地球上出现了。由于地球在宇宙中并不是一个封闭的系统,因此一个合理的推测就是,随着时间的推移,地球上的水量也可能会出现变化。

那么,经过了38亿年,地球上的水变少了吗?对于这个问题,科学家们其实也很感兴趣,并展开过相关的研究,实际上,在过去的日子里,科学家已经在一块石头中找到答案。下面我们就来看看这具体是怎么回事。

我们知道,水是由氢和氧这两种元素构成,我们可以将其简单地描述为,在一个水分子中,包含了两个氢原子和一个氧原子,它们之间通过共价键结合在一起,所以如果有某种机制能够将它们之间共价键破坏掉,那水分子就会分解成氢和氧,由于地球的引力不足以有效地束缚氢,因此这样的情况一旦发生,氢就有可能会从地球大气层的顶部逃逸。

在地球上的自然环境中,其实就存在着这样的机制,例如太阳光中的短波辐射(主要是紫外线)就有能力将水分子分解成氢和氧,这个过程也被称为“光解”。

由此可见,地球大气层中的水蒸气,会有一定的概率被“光解”成氢和氧,而地球的水也会因此而变少,幸运的是,地球因为“光解”而损失的水量其实是很少的,除此之外,地球在宇宙空间中也会获得一些“补充”,比如说坠落到地球上的宇宙尘埃、小天体,都可以给地球带来一些水或者氢元素,所以总体上来讲,地球因为“光解”而损失的水量是可以得到弥补的。

然而在地球的深处,还有一种机制也可以让水分子分解成氢和氧。要知道海洋中的海水是有可能进入地球深处的,比如说板块俯冲、海底岩石圈的缝隙,都可以让海水进入地球深处,而这样的情况一旦发生,地球深处的高温岩浆以及其中的结晶基岩,就有可能与海水发生一系列的反应,最终将水分子分解成氢和氧(净效应如下图所示)。

可以看到,这种机制会源源不断地将地球上的水分解成氢气和氧气,由于现代地球的大气层中含有大量的氧气,因此当这些氢气扩散到大气层中之后,基本上都会被氧化,进而重新生成水,如此一来,地球上的水量就不会出现什么损失。

但需要知道的是,地球大气层中大量的氧气,其实是在大约26亿年前的“大氧化事件”之后才出现的,所以一个合理的推测就是:在此之前,通过这种机制产生的氢气,会大量地从地球大气层的顶部逃逸,进而导致地球上的水变少。

我们知道,氢有三种同位素,分别是“氕”、“氘”、“氚”,其中能够稳定存在的,只有“氕”和“氘”。

科学家发现,在这种机制产生氢气的过程中,“氕”的效率明显比“氘”高,而这也就意味着,在其产生的氢气中,“氕”的占比会比“氘”更多,所以随着时间的流逝,海水中“氕”和“氘”的比例也会发生变化。

由于地球上绝大部分的水都是在海洋里,因此我们只需要知道38亿年前海水的“氕”和“氘”的比例,再将其与现代的海水进行对比,就可以通过理论模型分析出经过了38亿年,地球上的水到底变少了多少。

但问题是,我们又不能回到过去,怎么可能知道38亿年前海水的“氕”和“氘”的比例呢?其实有办法,那就是找一些特殊的石头,例如“蛇纹石”。

“蛇纹石”是一种含水的富镁硅酸盐矿物,它们通常在地球的海底、洋中脊或者俯冲带等区域形成,由于“蛇纹石”在形成过程中会大量吸收水,这就相当于将一部分水“锁定”在其内部,因此这种石头就有可能将它形成之时的水长时间地保存下来。

这就意味着,如果我们能够找到一块形成于38亿年前的海底,并且保存完好的“蛇纹石”,就可以知道那时海水的“氕”和“氘”的比例。

实际上,科学家还真的找到了这样一块石头。这块石头发现于格陵兰岛西南部的“伊苏亚超地壳带”之中,根据科学家的测定,它形成于大约38亿年前的海底,更令人惊喜的是,它是一块保存完好的“蛇纹石”。

(↑显微镜下的“蛇纹石”)

于是科学家提取了这块石头中的水分,在经过仔细研究之后,科学家给出的答案是:与38亿年前相比,现代地球的海洋体积缩小了26%左右,也就是说,经过了38亿年之后,地球上的水确实是变少了。

可以看到,在过去的日子里,地球损失的水量还是非常可观的。不过我们也不必为此担心,正如前文所言,由于现代地球的大气层中含有大量的氧气,因此即使地球深处的某些区域,现在仍然有一些水在不断地被分解,我们也不必担心地球上的水会因此出现大量减少的情况。

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