地球的水是怎样形成的

发布者:系统管理员文章来源:江苏省天文学会发布时间:2010-06-14浏览次数:16

地球的水是怎样形成的

    地球的水从何而来,一直是一个非常诱人的话题,对于这个问题的研究在一段较长的时间内恐怕不易得到一个令所有人都接受的终极答案。今天,我尝试从一个与过去流行的各种流派稍觉不同的角度对这个充满诱惑的课题进行一点研究,给人们多一个思考的途径。欢迎各位学者一同交流。
 
第一部分     系统理论
   
    为什么我在讨论这个问题前首先论述另外一个课题呢?我在较早以前曾经长时间思考过,我们用怎样的角度研究问题,可以更能接近问题的本质,更能接近真理呢?在以往的其它课题的研究时,我尝试了通过类比的方法,从不同的层面、方向理解,似乎与单从该问题的一方面着手更有效,但仍觉有所欠缺。前不久,在一个悼念老一辈伟大的科学家钱学森教授的活动中了解到,钱老在晚年曾试图挤出一点时间来专门研究系统科学,我如醍醐灌顶,豁然开朗。因为,不管我怎样类比,总脱不掉一个狭窄的框框,只有把问题放在一个“系统”里理解、研究,才有可能全面地、准确地、客观地认识它的本质,才能发挥它的最大价值。从这个方向理解,我相信“系统论”将会成为解决许多学术问题的重要理论。
    尽管我限于个人的才能与见识,还不可能完全理解体会钱老的科学思想与系统科学的实质,但我依然深感系统理论必定在未来非常广泛的学术领域得到越来越多的重视,发挥越来越大的作用,并对社会政治、经济、教育、人文、军事、自然科学、环境科学乃至于宇宙研究、生物进化等几乎所有的范畴都产生极其重要的影响。系统科学既是一门理论,同时也是一种工具,一种思维方法。在接下来的一段时间里,我将试图从几方面的课题入手,从几个子系统不同的角度研究几个有趣的话题,希望能给大家一个新的感觉。其中包括人类的起源与进化,恐龙的发展与灭绝,地球的水的来源,月球等卫星与彗星的来源等,我愿意为发展系统科学贡献自己一点微薄的力量。
 
第二部分      地球的水从何来
 
    直到今天为止,我们还不能完全了解,为什么在我们所认识的天体里,只有地球如此得天独厚地拥有丰富的水资源,为生命的出现与蓬勃发展提供了必要的前提条件,使地球演化出精彩绝伦的无限风光。目前,科学界普遍认同的几个学术流派,放在系统理论的角度推敲,都显出了它们的片面性,不能反映事实真相,不能解释同类事件,因此显得不能令人信服的。下面,我分别对几个流行的观点进行剖析,找出这些研究者理论上的缺陷。

一、有一种理论认为,地球的水来自地下水。
    这种理论的依据认为,地球的火山运动把本来储存在地幔深处的地下水带到了地面形成了河流湖泊。后来人们通过对地下水与地表水的成分分析,判断,这些地下水其实只是地表水不断循环的结果。这种理论受到了质疑,尽管还不能完全否定,但起码是还不完善的。

二、有理论认为,地球的水来自我们的姐妹星球——月球。
    在某一个地质年代,原月球在太阳系里乱闯,进入了近地轨道,在某一天被地球引力所俘虏,与地球发生了强烈碰撞,撞击的碎片后来凝聚成月球,原来在月球上的水全部被地球所获,月球从此失去了水源,而地球从此得到了今天我们所看到的无穷的水。而地球被月球撞击的位置形成了巨大的凹陷,在后来被水灌满了变成了今天的太平洋地区。这个观点存在许多难以自圆其说的地方。首先,我们不能理解,为什么地球本来没有水,是不是就象水星、金星和火星一样,原来有水,后来失去了,还是这几个天体本来就一直从来不曾有过水?为什么地球没有水反而月球有水?就算月球上的水全部给了地球是否刚好就是今天地球所有的水的唯一来源?同时,原月球的水从何而来?

三、地球的水来源于彗星。
    有科学家在拍摄到的地球卫星图中发现有许多斑斑点点的光斑,后来被证实是来自天外的彗星,认为,正是这些彗星为地球带来了水。但通过计算,算出在过去的四十六亿年时间里,按照光斑的概率,这些天外来客给出的水量是目前地球总储存量的好几倍,表明地球上的水来源于彗星的理论同样存在疑点。
四、最近,一种新的理论认为,地球的水来自太阳风。
有关人员通过推理认为,从四十六亿年前,太阳开始产生聚核反应,从此以
后便释放电磁风暴,这股强烈的太阳风携带着大量的氢离子,来到地球后与地球上的氧原子产生化学反应形成水。有学者甚至认为,这个新理论是比较科学与比较令人信服的。但我们在研究地球生命发展史时,大部分学者都认为,地球早期是一个充满还原性气体的星球,而氧气只是在地球中后期由于藻类生物得到了丰富的发展而产出的。如果地球的水由太阳风里的氢与地球上的氧结合而来,试

问,地球上是先有水还是先有生物?
    关于地球水的来源还存在许多学说,不一一罗列。
    我们来看一看上述比较有代表性的流派,他们都犯了那些致命的缺点,使这些观点一点都站不住脚。
    在回答地球的水从何而来这个问题上,我们必须建立一个体系,这个体系能同时解释整个太阳系的系统,能回答太阳系里其它天体的水的起源、消失,甚至能推广到整个宇宙系统的理解,只有这样,地球的水才算有根有源。
    上述的理论不能解释,如果它们的理解是对的,那么,太阳系中其它天体的水从何而来,月球的水从何而来,彗星的水从何而来,柯依伯带天体的水从何而来,更重要的是,天王星海王星冥王星这些与地球一样绕着太阳公转的行星为什么同样存在大量的水?这众多的行星、卫星、彗星的水是否同样来自象月球这样的天体,或者来自太阳风,这些天体上是否与地球一样存在足够的氧与太阳风里的氢合成水,还是所有的行星它们的水都来自彗星的撞击?
    系统理论认为——所有的天体它们的水都是与生俱来的,从它们形成的时候起,水已经存在。
    我们研究地球上的水的来源,我认为不能把问题孤立在地球单个天体上,而是应该把它放在整个系统里理解。当我们解释了地球上的水形成的机理后,这个理解在整个太阳系里普适,可以同时解释其它所有或绝大部分天体水的起源。
这就是系统科学与众不同的地方。
    我们观测太阳系最长久,相对而言也最透彻。我们已经知道,太阳系里不单地球存在大量的水,研究成果表明,水星、金星、火星、天王星、海王星、冥王星、彗星等众多不同大小、不同轨道、不同日距、不同物质结构,拥有不同化学元素的天体几乎无一例外都存在水,最近美国科学家在观测月球深度撞击事件中发现了月球上存在较多的水的事实。从而从另外一个角度证明,在太阳系里几乎全部的天体上都有水(注:我在《生命摇篮》一文中把太阳系里的天体按成分分成两大类,一类是恒星、类恒星,包括太阳、木星和土星,它们主要由等离子物质构成,称为等离子天体;其余通通划归一类,称为分子天体,包括其余的行星、卫星、彗星、小行星,它们都是由硅酸盐、铁、镍、冰、气体等分子物质组成)。因此,我们要解释地球的水的来源,必须同时解释太阳系所有天体的水的来源。
    我在《生物多样性》一文里曾经引用过当今最新的科研成果。研究表明,在原始星云中存在大量的氢、氦、碳、氧、硫、氮等化学元素,同时,我们还发现在几乎所有的超新星大爆炸喷发出来的巨大行星盘物质里同样存在大量的氢、氦、氧、碳、硫、铁、镍、硅、镁、铝等元素。这些成果告诉我们,在宇宙中,碳、氢、氧等是普遍存在的,储量是丰富的。实验室研究结果表明,在一定的温度、压力条件下,这些化学元素可以自由结合成各种气体以及化合物。这些化合物包括结晶水、碳氢化合物、碳水化合物、二氧化碳、二氧化硫、硫化氢等物质,它们在冰冷的宇宙背景下碰撞形成团块,以赃雪球的形式储存在太空中。
    我们认为,太阳系的形成,不论是原始星云学说还是星系碰撞说,都不可避免地允许所有的天体在形成之初就已经存在水。
    我在《太阳系形成新知》一文中,这样解释太阳系的形成,在60亿年前,太阳系依然处于原始星云状态,由于这片星云的位置在远离银河系银心的一条旋臂上,同时星云密度较小,总质量并不很大,因此,这片星云虽然与银河系一样已存在了120亿年,但正是它自身的这些原因使它收缩的速度很慢。爱因斯坦相对论认为,太阳星云的质量相对较小,在漫长岁月里,一直未能使周围的时空形成足够的弯曲,因此不能凝聚成星球。(按照相对论原理,大质量高密度星云最早形成星球与星系)但就在60亿年前,在距离太阳星云不到2光年远的空间里发生了一次超新星爆炸,巨大的爆炸力形成的冲击波压迫了太阳星云,同时使太阳星云额外地得到了一定质量的物质,加快了星云的收缩,经过大约几亿年的时间,星云密度越来越大,开始形成越来越快的自旋,万有引力发挥的作用也越来越大,周围时空越来越弯曲,最大部分的星云物质最终形成了太阳,其余的大部分物质在太阳万有引力作用下,慢慢凝聚成另外一颗伴星——原始木星。其余星云物质疏散分布在周围空间,这些物质包含一定量的氢、氦、氧、硫等轻元素,以及少量的水分子气体,甲烷气体云,那时由于太阳系与发生大爆炸的超新星系统之间距离较近,在相互的万有引力的作用下,两个系统相互吸引靠近,最终碰撞在一起。两个系统里的物质相互结合形成更多的水、甲烷、二氧化碳、二氧化硫、硫化氢等气态物质。
    我们知道,不同的物质存在不同的冷凝点。铁大约在低于15000的温度环境下就会凝结成固体,硅则低于13000时,呈现固体状态,而我们知道,水在00到990之间是液态,低于00时凝结成冰,而二氧化碳却要到-780才能变成干冰,甲烷的凝固点则是-1230。
    由此我们可以这样理解,在超新星发生爆炸时,行星盘物质的温度相对较高,大部分弥散物质都处于气态状态,随着大爆炸结束,空间温度慢慢降低,当温度降到15000C时,尘埃云里的铁首先凝聚成团,但很快温度就到了硅凝结的13000C,因此,空间里首先形成了大大小小各种各样不同的铁镍核与硅岩石,经过一段较长的时间后,温度降至00C,水开始凝结成冰并附着在铁镍硅岩石的表面。我们知道,宇宙空间的温度最终是非常低的,整个宇宙微波背景温度只有2.7K,因此,当温度降到-780C时,二氧化碳冰开始形成,到了-1230C时,甲烷冰开始凝结,冰一层一层地覆盖在上面,最终,这些所有的天体都形成了铁镍核硅岩石水冰甲烷冰等气体冰包裹着的星球,并在太阳系弯曲的时空里运动,形成最终的太阳系。体型大的成了行星,次之的变成了卫星,质量更小的形成柯伊伯带彗星。从这个系统模型中我们轻而易举地得到一个结论,太阳系里所有的天体与生俱来都存在水、甲烷、二氧化碳、二氧化硫、硫化物等物质,同时它们都拥有一定质量的铁镍硅等重物质,形成它们的球核。这个结论很好地与我们观测到的太阳系真实情形完全吻合。这就是系统理论的魅力。
    在46亿年前,恒星、类恒星里,同样存在水等非金属氧化物以及甲烷、乙烷,但由于太阳内部温度很高,这些气态物质在太阳内部温度刚开始升高之初,已最早电离成等离子状态,不能以分子形式存在,不断地随太阳风向外发射,而木星、土星上的水、甲烷、二氧化碳、二氧化硫等则因为这两个天体的主要成分是等离子氢等物质,温度同样很高,经常处于气体状态,形成浓厚的温室大气,在其余的类地天体中,水星、金星非常靠近太阳,温度也很高,气体物质在经过漫长的地质年代后,已丢失得所剩无几了,尤其是比重较轻的水分子,蒸发得更彻底。由于水的丢失,金星内部的熔岩缺乏结晶水,在经历了几十亿年水的循环蒸发后,岩石流动性已非常低,它的火山活动变得不那么活跃了,当火山爆发时,大量的熔岩只能慢慢地“溢”出来,形成广袤的熔岩高原,最后不再发生地震与火山活动。火星由于质量小,万有引力很小,不能吸引住气体物质,水、甲烷等轻物质在经过漫长岁月后,已基本丢失,火星河流存在时间可能比金星、水星更长久,但可能在还远未形成比细菌更高级的生命前同样已全部蒸腾并被太阳风吹散到太空中,星体表面也就变成一片荒漠了,而天王星、海王星、冥王星以及其它卫星、彗星由于远离太阳,受到太阳热辐射的量很少,不足以使它们表面的冰盖完全融化,就形成今天我们所观测到的那样,是一个冰冷的世界。毫无疑问地,这些天体上一定存在比地球储量更多的水冰、甲烷冰、二氧化碳冰等物质。
    由此推断,水在原始星云中,在超新星爆炸的行星盘物质里普遍存在,但我认为,当天体一旦形成稳定体积后,它的物质总量也就基本稳定下来了,不断改变的,只是天体内部化学成分的比例。以地球为例,每天从太阳风里获得的氢离子和地球大气中被紫外线电离散逸的氢离子可能相差不大,只使地球大气圈里氧的含量慢慢增加了,地球额外获得的氦以及太阳风带来的金属离子,对地球总质量的影响低到可以忽略不计。地球的水的总量在几十亿年间可能是基本恒定的,随着气温的改变,地球水以几种不同的形式存在,不断循环。假定我们以间冰期为参照期,当陆地最终形成后,全球的淡水包括河流、湖泊、湿地、雪山、冰川、两极以及地下水系,地球内部的结晶水,作为一个标准量,那么,淡水与海水之间通过降雨、百川归海的途径实现循环变化,它们之间维持着一种微妙的平衡,这时全球的气候长时间稳定,按四季运行变化,万物欣欣向荣,生命各自在它们的生物链位置上生活着。一旦气温升高,雪山、冰川、两极冰原消失,淡水河流失去了水源,植物开始枯萎,地表土壤干裂,形成大范围的沙漠化,不能涵养水土,地下水位必同时下降,风暴袭来,很容易发生洪水、泥石流等灾害。这时的淡水总量将极大地减少,海水相应增加,便会发生海水倒灌的海侵现象,沿海地区沉于海底。相反,当冰河来临,地球表面到处冰封,淡水总量大幅上升,海水总量减少,发生海退,大量陆地裸露,大陆板块之间形成陆桥。这些情形在震旦纪以后的地质年代曾多次上演。
这就是所有天体的水的共同来源。
 

广东佛山 蒙少辉 2010年3月2日

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作者:佛山 蒙少辉