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地球上如此多的水究竟来自哪里?海洋又是如何形成的?

leejiafu 发布于 2022-5-15 21:45 115 0

分类专栏:海洋科普

科学家在寻找地外宜居星球时,总是把该星球是否具有液态水作为重要的指标,这是因为地球上绝大多数生物都必须要依靠水才能存活。  但是问题也随之而来,既然水这么重要,那么现如今地球上所有的水都是怎么来的呢? ...

   科学家在寻找地外宜居星球时,总是把该星球是否具有液态水作为重要的指标,这是因为地球上绝大多数生物都必须要依靠水才能存活。

  但是问题也随之而来,既然水这么重要,那么现如今地球上所有的水都是怎么来的呢?海洋又是怎么形成的呢?

目前关于水是怎么来的有两种假说,一种认为水是地球自带的,被称为:自源说;另一种认为水是小行星撞击地球时送来的,被称为外源说。


自源说

自源说认为,地球上的水在地球形成时就已经存在了。我们知道,地球形成于大约45.5亿年前,在当时,太阳系内没有任何一个星球,而是一片直径长约2光年的星云物质。我们知道,星云物质是恒星的摇篮,当这些星云物质引力坍塌之后,就会逐渐凝聚在一起,形成一个小星球,在宇宙中,引力会不断将周围的星云物质拉向小星球,导致该星球质量越来越大,内部温度也越来越高,最终引发星球内部核聚变反应,这就是太阳。

而形成太阳的边角碎料,以同样的方式形成了太阳系内的其他星球,包括地球。之所以地球没有成为恒星,是因为地球质量不够大,无法引发地球内部的核聚变反应。

我们知道,水是由氢和氧组成的,其中氢在宇宙中非常常见,而氧却极为罕见,但是在地球上氧元素的含量非常丰富。这意味着在地球形成的过程中,水就已经存在了,只不过在地球刚形成时,地球温度非常高,导致水无法以液态的方式停留在地球表面,而是蒸发到了大气层中,由于引力的存在它们没有跑太远;还有一部分水以氢离子与羟基等形式和星云物质发生水化作用,被锁进了矿物质的晶格之中。科学家们发现,在地幔层中的岩石晶格中有许多水,甚至比地球表面的液态水还要多。

其中蒸发到大气层中水,在地球逐渐降温之后,这些水蒸气才凝结成雨降落在地球表面,并持续了下了一场持续上百万年甚至千万年的大雨,形成了原始海洋。


外源说

除了地球自带的水之外,科学家们还认为地球上的水有一部分是小行星撞击而来的。

在地球刚刚形成的3亿年里,地球轨道上仍旧有许多小行星等没有清理干净,这些小行星质量较小,在受到地球引力的吸引时,会被拽入到地球,最终降落到地球表面。

根据科学家们的研究我们知道,在太阳系中有许多星球都存在着水,甚至有许多星球含有液态水,早期的小行星中一定也含有大量的水。

这些小行星持续不断的撞击,为地球源源不断地运来了大量的水。科学家们通过研究水的同位素研究证明了这一点。

现如今,主流科学家认为,地球上的水可能是由地球自带的水以及小行星撞击送来的水共同构成,这些水在温度适宜的条件下,以液态的形式存在在地球表面,形成了原始海洋。


海洋的由来

尽管海洋早在地球形成早期就出现了,但是海洋的成分,以及面积大小并不是固定不变的。

在不同的时期,海洋的成分也会有所变化,这是因为海洋中的水会被蒸发到大气层中,而大气层中的水蒸气又会凝结成雨,降落到地球表面。雨水不断地冲击着地球表面,会带走地球表面的矿物质,使其汇入到海洋之中,所以海洋的成分也在不断发生变化。

而且,在特殊时期,海洋环境还会变得非常恶劣,比如:大规模火山喷发时期,不仅会导致大量二氧化碳被释放到大气层中,还会使得酸性物质比如二氧化硫释放到大气层中,二氧化硫会溶于水中,形成酸雨降落到地表,而酸雨又会汇入到海洋,最终使得海洋酸化,大量生物灭绝。

好在地球也有调节机制,这些酸性物质也会和海洋其他物质发生反应,使得海洋中的酸性物质减少。

再加上地球板块从未停止运动,导致海洋的面积、大小和形状等都会随着时间的改变而改变。也就是说,虽然形成海洋的水是地球自带的以及小行星撞击时运来的,但经过40多亿年的演化,海洋里的成分已经和原始海洋成分发生了翻天覆地的变化。

水循环与人类的生产、生活息息相关。缺水将发生旱灾或是水荒;水多则可能引起洪涝和水灾,水被污染则会导致环境变坏。更多地了解一些与水循环相关的科学知识,对防灾避险、保护环境以及合理利用水资源等都具有重要意义。

气候系统可以被描述成一个由大气圈、水圈、生物圈、冰雪圈和岩石圈组成的巨大系统。由于水有一种特殊的本领—在通常环境下可以实现液态、气态和固态之间的转化,而且这种变化仅仅是物理变化而不发生化学变化。这项技能让它成了全球气候系统中的“活跃分子”,大量的水分在这个系统中持续不断地运动着,这就是地球上水循环发生的内在原因;而造成地球上水循环能够发生的外在原因则是太阳辐射和地球引力为水循环提供的上升和下降的动力。内因和外因共同作用形成了我们地球上生生不息的水循环。


水循环可以分为哪些类型

水循环依据空间尺度的大小可以分为最大尺度的全球水循环、中等尺度的流域或区域水循环以及更小尺度的水-土壤-植被系统水循环。全球水循环是指自然界的水在太阳能和大气运动的共同驱动下,不断从江河湖海等水面、土壤、岩石等陆面和植物的茎、叶面等,通过蒸发或散发,以水汽的形式进入大气圈,当大气圈中的水汽凝结的水滴大到重力大于空气的浮力时,就在地球引力的作用下,以降水的形式降落到地球表面。到达地球表面的降水,一部分在分子力(又称分子间作用力,是指分子间的相互作用。当两分子相距较远时,主要表现为吸引力;当两分子非常接近时,则以排斥力为主)、毛管力(毛细管中产生的液面上升或下降的附加曲面效应)和重力的作用下,渗入地下,一部分则形成地面径流流入江河湖泊,再汇入海洋;还有一部分通过蒸发或是散发到大气圈,或者以地下水形式流入江河湖泊,再汇入海洋。这种始于水终于水,并且永无休止覆盖整个地球的循环运动过程称为全球水循环。全球水循环是个闭合系统。【考向预测】2019年高考地理热点问题探究——水循环专题

流域或区域水循环实际上就是流域降水径流形成过程。降落到流域上的雨水,首先满足截留、填洼和下渗要求,剩余部分称为地面径流,汇入河网,在流至流域出口断面(对某一流域而言,地表径流和地下径流流出流域边界的断面,包括地面和地下出口断面)截留的水分最终还是会蒸发和散发,或填洼下渗。下渗到土壤中的水分,在满足了土壤持水量(土壤所能稳定保持的最高土壤含水量)需要后将形成壤中水径流(在土壤表层或分层土层内的界面上形成侧向流动的水流)或地下水径流,从地面以下汇集到流域出口断面。被土壤保持的那部分水分最终也会被蒸发和散发掉。流域或区域水循环的空间尺度一般在1~10000平方千米,它是一个开放的循环系统。谭老师地理工作室综合整理

水-土壤-植被系统是一个由土壤、植被和水分构成的相互作用的体系,降水在进入到这个系统后将在太阳能、地球引力和土壤、植被根系产生的力场作用下发生截留、填洼、下渗、蒸发、散发与径流等现象,并且维持植被生命过程。它既是一个开放的循环系统,又是自然界空间尺度最小的水循环系统。谭老师地理工作室综合整理

无论是全球水循环,流域或区域水循环还是水-土-植水循环,它们最重要的分量都是降水、蒸散、径流量。比如对于全球来说,多年平均降水量与多年平均蒸散量相等;对于开放的流域来说,流域多年平均降水量与其多年平均径流量和蒸散量之和基本相当。


地球上的水到底有多少

要想知道地球上的水到底有多少,首先要了解地球上的水到底都存储在哪里。按照水存储的圈层不同,水可分为地面水、地下水、大气水和生物水等四个部分。地面水主要指存储于海洋、湖泊、河流、冰川、湿地等水体中的水;地下水是指土壤、岩石孔隙、洞穴、溶洞中的水;大气水主要是指悬浮于大气中的水汽,也包括液态和固态形式悬浮于大气中的水。生物水是指生物体内的水分。

但即使知道了地球上的水存储的地方,想定量估计水的量还是很困难的,比如要想知道地面水有多少,首先要测量江河、湖泊、海洋的地形,这项工作的难度是相当大的,而地下水和冰盖中的水则更难精确估算。因此,到目前为止,对地球上各个圈层或各种水体中到底存在多少水,很难有个公认的数字,但大家对水在各种水体中的分配比例大体上是一致的。联合国教科文组织曾经公布过一组数据:地球上水的总量为13.86亿立方千米,其中96.54%是海水,淡水仅占总量的2.53%,淡水中有68.7%以冰雪形式储存于南极、北极和高山冰川中,30%存储于地下,而存储于地下的又有近一半深埋于地面以下800米的岩层中。地球上全部河流、湖泊和沼泽中储存的水量约为19万立方千米,只占到地球上全部水量的0.014%。但这部分水是与人类生存和发展关系最为密切的。大气水总量约为1.29万立方千米,占地球上总水量的0.001%,虽然所占比例小,但它循环、更新得最快,而且是地球上可更新淡水资源的主要来源。【思维导图】高考地理自然界的水循环(附沉降专题设计)


地球上的水多长时间能够全部循环一次呢

地球上的13.86亿立方千米的水是不是每次都能参加水循环呢?答案是否定的。根据研究,每年全球只有57.7万立方千米的水参与水循环,如果按此速度,地球上全部水量都参与一次水循环,理论上平均大约需要2400年。不同的水参与水循环的时间长短也是不一样的,其中时间最长的是极地冰川和终年积雪,参与一次水循环的时间大概是1万年;时间最短的则是生物水,只需要几个小时。其他如大气水需要8天,河流水需要16天,土壤水需要1年,沼泽水需要5年,湖泊水需要17年,深部地下水需要1400年,高山冰川需要1600年,世界大洋需要2500年。

​总之,水循环与人类的生产、生活息息相关。缺水将发生旱灾或是水荒;水多则可能引起洪涝和水灾,水被污染则会导致环境变坏。更多地了解一些与水循环相关的科学知识,对防灾避险、保护环境以及合理利用水资源等都具有重要意义。


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