40多亿年,为什么地球上一直有水?

作者 | 卡麦拉

出品 | 网易科技《知否》栏目组(公众号:tech_163)

40多亿年以来,地球一直是蓝色的,因为它的表面分布着水。那么在这么长的时间里,液态水是如何稳定地存在在地球上的呢?

地球是迄今人类已知唯一表面存在永久液态水的星球,它既不太热也不太冷,如果说地球最初是红黑相间的颜色,那么它在40多亿年的时间里一直是蓝色的,除非气候变冷,使地球变成了一颗“白色雪球”。

这种令人难以置信的特征是由于地球水循环、板块构造、温室效应以及太阳系结构的相互作用。现今,地球表面平均温度大约15摄氏度,比金星平均温度465摄氏度低,比火星平均温度零下60摄氏度高,地球海平面之上的水冰点是零摄氏度,水沸点是100摄氏度。因此,地球表面温度保持在一个很大的温度范围内,但与其他行星相比,实际上是相对较小的温度范围,地球数十亿年以来一直如此。

温室气体发挥重要作用

地球表面平均温度取决于3个参数的相互作用,而这3个参数在不同行星之间可能会有很大的差异,这3个参数分别是:从太阳获取的能量;表面反照率,也就是它能反射多少太阳辐射;温室气体,它们能将太阳辐射“困”在地球大气,如果没有温室气体,地球表面温度将达到零下15摄氏度左右,可能没有液态水。

自从地球上第一个海洋出现以来,阳光、反照率和温室气体之间的相互作用就一直保持着稳定的能量平衡。在地球早期时,太阳并不明亮,地球获得的能量也比较少,然而,当时二氧化碳和甲烷等气体含量比现在高许多,这使得地球表面温度很高,水无法结冰,只能保持液体状态。

温室效应会随着时间推移而逐渐减弱,因为二氧化碳可以通过两个过程从地球大气中消除,第一个过程是溶解在地表水中的二氧化碳的酸化作用导致岩石溶解,从而释放出钙,钙与溶解的二氧化碳结合形成碳酸盐岩,例如:石灰石,这是主要的碳沉积之一。

第二个过程是碳沉积储存在沉积岩中的有机碳,陆地和海洋中的生物在光合作用中利用二氧化碳生成有机物,当这些有机生命死亡时,其中一部分会沉积在海底,它们将保存在沉积岩中,储存数百万年时间。

没有地球构造,就没有海洋;没有海洋,就没有地球构造

虽然碳沉积过程能诱捕地球大气中的二氧化碳,但火山活动、洋脊运动又将二氧化碳释放到大气层,这种输送是通过板块构造来维持的,在很长一段时间里,板块构造有助于维持地球表面温度,使地表水保持液态,因此,液态水的存在与板块构造密切相关,该反应是如何发生的呢?

海床是由海洋板块构成的,它们远离洋脊——即遍布地球的海底火山链,然后通过穿过俯冲带沉入地球深处,在洋脊穿越海洋数亿年时间里,海洋板块进行水化反应:它们的矿物质融入水,还改变了它们的力学性能。当海洋板块俯冲时,将最终会脱水,释放出来的水最终产生岩浆,形成花岗岩——陆地基岩,因此,没有液态水,就不会存在地球构造运动,更不会出现大洲!

由于之前的海洋板块被循环到地幔中,新的板块不断地从洋脊中喷发出来,当它通过地幔上升至海底时,就会冷却并释放二氧化碳,帮助维持温室气体的浓度,水仍然保持液态,地球仍是一颗蓝色的星球,就像几十亿年前一样。

从红黑色变成蓝色

长期以来,人们一直认为太阳系外富含水的天体将水带到了刚形成不久的地球,目前研究人员对该假设表示质疑,认为水(包括氢和氧)可能是由形成地球的岩石带来的。

45亿年前地球刚形成的时候,可能温度太高,地表水不可能是液态,不管怎样,如果地球曾经存在海洋,在44亿年前地球曾与一颗火星大小的行星体发生碰撞,当时高温下海洋肯定是蒸发消失的,这颗行星体融化了地球表面,并最终形成了现今的月球。

碰撞之后,地球表面逐渐冷却凝固,表面可能覆盖着黑色玄武岩,既没有生命,也没有水,冷却岩浆释放出氢、氧和碳等元素,其中还有水、二氧化碳或者甲烷等分子,因此地球第一个海洋是在撞击后不久快速形成,地球上最早的矿物质具有液态水合化学特征,因此蓝色地球的历史可能有44亿年。(卡麦拉)

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(原标题:Why is the Earth blue?)

(责任编辑:秦一晗_NBJS12572)

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