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但是,地表的水會因蒸發(fā)、植物蒸騰或冰雪升華成為水汽而進入大氣,而水汽的密度比空氣密度低,水汽在靜止的空氣中有上浮的趨勢。正如我們看到的水滴非常小、與氣態(tài)水接近的白色蒸汽都是往上走而不是下沉。那么,水汽是否會一直浮升而逃出地球呢?氣體總有從密度高的地方向密度低的地方擴散的趨勢,近地面的水汽密度顯然高于幾近真空的星際空間的水汽密度,大氣中的水汽是否會因為擴散而掙脫地球引力的束縛跑到地球之外去呢?另外,是否存在水分子發(fā)生化學(xué)、物理變化后跑到地球之外而使地球上的水減少的可能呢?
大氣的分層結(jié)構(gòu)與水汽的分布
水汽指空氣中氣態(tài)的水,而不包括空氣中狀態(tài)不穩(wěn)定的液態(tài)的水(云、霧、雨)和固態(tài)的水(雪、霰、冰雹)。空氣中的水汽比濕,即水汽質(zhì)量占空氣總質(zhì)量的百分比,隨著空氣干濕的程度從0~4%變化很大。寒冷干燥地區(qū)的干燥季節(jié)水汽比濕幾近于零,熱帶多雨地區(qū)的多雨季節(jié)則會接近4%。
隨著空氣從地表到高空越來越稀薄,大氣中的水汽密度也從地面向高空逐步下降。觀測結(jié)果表明,在距地面1500~2000米處,水汽含量只及地面的1/2;在5000米處,只相當(dāng)于地面的1/10,再往上則更少。水汽絕大部分集中在低層,有一半的水汽集中在2000米以下,3/4的水汽集中在4000米以下,10千米~12千米高度以下的水汽約占全部水汽總量的99%。
90%的大氣水汽都集中在對流層內(nèi)。對流層的厚度在赤道附近有12千米厚,在兩極地區(qū)只有8000米。
自對流層頂部向上至55千米高度為平流層,其水汽含量已經(jīng)極少。平流層形成機理與臭氧層密切相關(guān)。因紫外線的照射,位于平流層頂部的一部分氧分子被分解為氧原子,氧原子與未分解的氧分子結(jié)合生成臭氧,臭氧吸收大部分短波紫外線而升溫形成逆溫層。逆溫層的存在阻止了大氣的上下對流。
從平流層頂?shù)?5千米高度為中間層,大氣溫度隨高度上升而降低,層頂溫度可低至-100℃,是一個較弱的對流層。在距地面高度80千米左右,還有冰晶存在,這類冰晶顆粒的半徑一般為0.05~0.5微米。在曙光初現(xiàn)或暮色將盡時冰晶被太陽照射會形成呈淡藍色或銀灰色的夜光云。只有在高緯度地區(qū)的夏季才能見到夜光云。
從中間層頂?shù)?00千米高度為暖層。在270千米高度處,空氣密度約為地面空氣密度的百億分之一。暖層在300千米高度時的溫度高達1000℃以上。暖層又稱電離層,暖層中的氮、氧氣和氧原子等氣體成分,在強烈的太陽紫外線和宇宙射線作用下,已處于高度電離狀態(tài)。在電離層中,即使有水,也會被電離成氫離子和氫氧根離子,因此不可能存在水分子。
暖層頂部以上稱為外層,又稱逃逸層。這里的溫度很高,可達數(shù)千度;大氣已極其稀薄,其密度為海平面處的一億億分之一。它是大氣圈的最外層,沒有明顯的上界,而與星際空間相連。由于空氣十分稀薄,受地球引力作用較小,一些高速運動的大氣質(zhì)點可因此脫離大氣圈,逸散到星際空間去。
水汽不會因為浮力而跑出地球
水汽到底會不會因為浮力而跑出地球呢?在了解了大氣的分層結(jié)構(gòu)與水汽的分布之后,答案也就漸漸浮出水面了:浮力作用并不會使水汽逃出地球。具體的原因又是什么呢?
原因之一:水汽可以溶解于空氣。大部分水汽溶解于空氣而混為一體,水分子與其他空氣分子結(jié)合在一起,不會因為比重的不同而分層。
原因之二:大氣層中有溫度很低的區(qū)域,例如對流層上部的溫度可低至-80℃。在較冷的區(qū)域氣態(tài)水分子會凝結(jié)成液態(tài)水,甚至凝華為固態(tài)水,并相互合并成水滴、冰晶,當(dāng)水滴、冰晶大到一定程度就會掉落下來。
原因之三:大氣層有逆溫層存在,包括平流層和電離層,都是上層溫度高而下層溫度低,溫度低的下層空氣密度更高,不可能靠浮力運動到密度低的上層。
原因之四:即使逃脫第一、第二、第三關(guān),少數(shù)跑到電離層的水分子,也會被分解為氫離子和氫氧根離子。同時,氫離子和氫氧根離子的質(zhì)量比水分子更小,所以即使少許漏網(wǎng)的水分子沒有被分解,也不會上浮到電離層以上。
因此,地球上的水分子不會因為質(zhì)量小靠空氣浮力跑到電離層以上,也自然跑不出地球。
水汽不會因為分子擴散而跑出地球
如果水分子向外的分子擴散運動速度超過了該高度的地球逃逸速度,水分子就可以逃逸到太空。那么,地球大氣環(huán)境中的逃逸速度和分子擴散運動速度又是多少呢?
通過簡單計算我們可以得知,在地球表面逃逸速度為11.17千米/秒;大氣外層的底部在距離地面約1000千米高處,逃逸速度為10.4千米/秒;在距離地面10000千米高度,逃逸速度減小為7000米/秒。在室溫下,空氣分子的平均速率為461米/秒,相當(dāng)于子彈的速度。在大氣逃逸層,溫度在1000℃以上,按1300K(K又稱開爾文,開爾文溫度=攝氏溫度+273.15)計算,空氣分子的平均速率可達到977米/秒。
分子運動的平均速率只是很多分子的速率的平均值,其中肯定有運動速率高于平均速率的分子。據(jù)統(tǒng)計,高于平均速率5倍的分子已經(jīng)很少。所以,如果一種氣體的5倍平均速率低于逃逸速率,就可以認(rèn)為該氣體達不到逃逸速度,逃不出星球的引力約束。
對比圖表中不同氣體的5倍平均速率與地球逃逸速率(地面11.17千米/秒,1000千米高空10.4千米/秒)可知,在近地面,所有氣體成分都不可能靠分子擴散運動逃離地球;在大氣外層下部,因為引力減弱且溫度很高,逃逸速率下降而分子運動速度加快,氫(原子或離子)和氦氣已經(jīng)可以逃出大氣層而進入太空,只是分子量較大的氧氣、水汽、二氧化碳、氮氣仍然逃逸不出去。
再往上到10000千米高空,地球逃逸速度降低到7000米/秒,溫度最高可達3000℃,空氣主要成分的5倍分子運動速率都在7000米/秒以上。也就是說,在大氣逃逸層上部,在理論上,幾乎所有大氣成分都是可以逃出地球的。但是,在2000千米以上高度,是完全電離的逃逸層,實際上空氣分子都已經(jīng)不存在了,重原子也不存在,只剩下氫、氦兩種原子。所以,除了氫和氦,不存在空氣從地球逃逸的問題。
所以,對于是否真有水分?jǐn)U散逃逸出地球的問題,答案是否定的。原因是水分子根本到不了逃逸層。水分子只存在于電離層之下,被電離層分解而越不過電離層,不可能出現(xiàn)在電離層之上的逃逸層。
水汽是否會通過其他物理化學(xué)作用逃離地球
進入電離層的水分子會被電離為氫離子和氫氧根離子,而氫離子很輕,是可以穿透電離層進入逃逸層并進一步逃逸到星際空間的。地球內(nèi)部的水分子雖然不能直接逃出地球,但是否會通過電離、損失氫離子的方式而減少呢?
據(jù)估算,地球每秒鐘逃逸損失的氫有3000克,氦則為每秒50克。不過,盡管地球上的氫在逃逸,但在幾十億年的地球史上水卻沒怎么減少。一方面,在氫逃逸出地球的同時,太陽風(fēng)、隕石也在不斷給地球補充氫,使氫得到部分補充。另一方面,盡管水分解的氫逃逸了,但剩下來的氧卻可以跟氨、硫化氫、甲烷等反應(yīng),生成氮、硫酸、二氧化碳和水。正是氫逃逸和氧留存,使地球上的氧氣逐漸增多,并氧化其他物質(zhì)生成水。這樣的機制使地球原始大氣逐漸變成以氮、氧、二氧化碳為主的地球現(xiàn)代大氣并形成了海洋,才有了適宜人類生存的生機勃勃的地球。
蒲東實驗小學(xué) 劉鵬振
輔導(dǎo)老師:翟鳳君
假如地球上的水都干涸了,天啊,這是一個多么可怕的想象,透過這個恐怖層,我仿佛看見了滿眼黃沙飛舞,到處枯枝敗葉……
小河沒有了往日的歡樂,樹葉失去翠綠的外衣,花兒失去了嬌艷的面容,樹木在一夜之間蒼老了許多,枯黃的葉子在空中靜靜地飄落,就連被人們譽為最具有生命的小草,這時也低下了脆弱的頭……
頓時大自然失去了他原本來的色彩,也告別了原有的生機……
幾根生了銹的水管,一個破敗的籃球場,年近而立的他們生龍活虎般地跳躍、奔跑,擺上兩個水泥墩當(dāng)球門,他們一樣能踢得不亦樂乎。這個位于南昌市某高校里的籃球場地破敗不堪,已有幾十年的歷史,籃球場四周有鐵護欄,就像個鳥籠。每逢星期六的下午,這群人就會準(zhǔn)時出現(xiàn)在這里,不論春夏秋冬,不論嚴(yán)寒酷暑,這樣的足球生活已經(jīng)持續(xù)了七個年頭。七年前,一群互不相識的人因為足球、更準(zhǔn)確地說是水泥地上的足球而走到了一起,七年間他們組成了自己的足球隊――南昌翼騰業(yè)余足球隊。夫妻間有七年之癢,而他們在七年里對足球的熱愛依然,特別是這種水泥地上的“野球”生活。
七年前,因為足球場地的匱乏,他們只好“霸占”水泥地面的籃球場地,起初他們互相都不認(rèn)識,三五成群地進行著“中國式”的足球比賽。久而久之,在技術(shù)逐漸提高后,這群“足球兄弟”希望和人過招的愿望就更加強烈,他們就這樣經(jīng)歷著最低級別的業(yè)余足球比賽――5對5對抗賽。幾組輪流著打,也沒啥講究,哪組先進球就為勝者,再接著繼續(xù)踢,輸?shù)囊环骄拖聢霎?dāng)觀眾。旁邊打籃球的人說他們是“瘋子”,因為他們占據(jù)了籃球場地;懂足球的人說他們是中國足球的“希望”,因為不少球員就是在水泥地上“培養(yǎng)”出來的。這塊水泥地記錄著他們流過的汗水,也記錄著他們曾經(jīng)有過的沖動。七年的時間眨巴著眼就過去了,這塊水泥地就是他們七年足球的唯一見證人。
今年1月10日,本刊記者也跟隨他們的腳步,來到了他們“奮斗”了七年的地方,那天天氣出奇地冷,還不到下午兩點,他們就開始在這塊水泥地上踢球了。
在采訪中,記者了解到他們在這里并不怕受傷,任何動作都敢做,飛鏟、魚躍沖頂、倒掛金鉤……在堅硬粗糙的水泥地上,這樣的動作肯定有人會受傷,不過隊員卻告訴記者,與足球帶給他們的快樂相比,傷痛簡直不值得一提。我們的采訪對象是吳磊,他從高中就在這里踢球了,他告訴記者:“我有一次倒勾射門,身體已經(jīng)橫在空中了,背后突然殺出個防守隊員,直接把我拉倒在地,結(jié)果弄得我頭破血流,至今頭上還留有疤痕?!眳抢谶€回憶道:“剛開始我們只是三五個人,用幾個破磚頭擺門,踢得很不正規(guī),但我們卻可以盡情地享受,待玩到興起之時索性脫掉上衣,赤膊上陣,生活與學(xué)習(xí)的壓力、滿身的臭汗、比賽的結(jié)果通通不用考慮,總之是快樂至上。比賽中沒有花哨的動作,也沒有時間的限制,后來在一起玩的人多了,我們就組成了自己的球隊?!痹谒嗟厣咸咔蚴呛苋菀装涯_磨出血泡來的,隊員們說這是家常便飯。賣水的老大爺都知道他們,因為只要他們一來踢球,那水就賣得特別快,有時老大爺也會站在一旁欣賞他們踢球的熱鬧場景。
在回答這個問題之前,我們先要問:什么是食物?我們?yōu)槭裁茨艹允澄?我們天天吃飯,好像從來沒有想過這個問題。但是仔細想一下我們吃的東西,就會發(fā)現(xiàn),能夠稱得上是人的食物的東西,都來自其它生物。而且人所能吃的地球上的生物真是無窮無盡。幾乎所有的生物門類里面都有人能吃的食物:從單細胞的細菌(如酸奶里面的雙歧桿菌和腌菜里面中的乳酸菌),真菌(如酵母、蘑菇、木耳),到所有門類的植物,包括低等的藻類植物(如海帶、紫菜),蕨類植物(如毛蕨、菜蕨、水蕨),裸子植物(如松子、銀杏),被子植物(包括各種蔬菜、水果、種子、根莖,甚至花朵),到幾乎所有門類的動物,包括腔腸動物(如海蜇),軟體動物(如蝸牛、蚌),甲殼動物(如蝦、螃蟹),昆蟲(蠶蛹、蝗蟲、蝎子、螞蟻都有人吃),到脊椎動物,包括魚類,兩棲類(如青蛙),爬行類(如蛇),哺乳類(如牛、羊、豬),鳥類(如雞、鴨、鵝)??梢哉f沒有什么門類的生物是人類不能吃的。
究其原因,是因為現(xiàn)今地球上所有的生物都是從同一個祖先進化而來的,所以彼此都是或近或遠的親戚。在生命開始在地球上出現(xiàn)時,可能有過使用不同機制的生命,但是后來有一種在競爭中勝出,最后成為地球上所有生物的共同祖先。所以地球上的生命雖然看上去千差萬別,基本的生命機制卻是完全一樣的。從分子意義上說,地球上的生命是非常單調(diào)的。這是為什么人類總是在尋找與我們不同的生命形式,哪怕是在這個太陽系中(比如火星或木星的衛(wèi)星)。
既然地球上所有的生命都是從一個共同的祖先而來,它們就都有相同的基本結(jié)構(gòu)單位。比如所有的細胞生物都用相同的四種核苷酸來組成遺傳物質(zhì)(DNA,即脫氧核糖核酸),都有由20種氨基酸組成在生命活動中起關(guān)鍵作用的蛋白質(zhì),都有類似的細胞膜組成(磷脂),都使用碳水化合物(葡萄糖,淀粉等)和脂肪作為能源和儲存能量的物質(zhì)。也就是說,從最簡單的生物到最復(fù)雜的生物,所用的“建筑材料”都相同,或者說基本的“零件”相同,所以也就可以到處通用。就像有限的幾種積木可以搭建出無限多種結(jié)構(gòu)一樣,有限種類的“生物積木”也可以組建成地球上數(shù)以千萬計的生物。所謂“吃飯”,就是“拆”別的生物的“零件”或“積木”,來構(gòu)建我們自己的身體。這個“拆”,就是食物在我們胃腸中被“消化”。比如蛋白質(zhì)被分解為氨基酸,淀粉被水解為葡萄糖,脂肪(甘油三酯,即一分子甘油連三個分子的脂肪酸)被消化成甘油和脂肪酸。這些氨基酸,葡萄糖,脂肪酸就是三種基本的“積木”或“零件”。它們和其它的小分子如甘油一起,被小腸吸收,又被用來建造我們自己的身體。
從這個意義上說,地球上的任何生物在原則上都可以“吃”這個星球上任何其它生物而生存,只要實際上辦得到,而且能把食物里面的毒性物質(zhì)去掉。所以一種動物可以吃植物(草食類動物),也可以吃別的動物(肉食類動物)。植物也可以吃植物(如菟絲子)甚至動物(如捕蠅草)。細菌,真菌和霉菌“吃”死亡了的動物和植物,但也吃活的生物。比如腳氣和體癬就是真菌吃活人;肺結(jié)核,感染化膿和敗血病是細菌吃活人。就連病毒,都是用我們身體細胞里面的“零件”來建造新的病毒。
地球上生命的同一性還有更深一層的意義,那就是這些生命都是以碳為基礎(chǔ)的。也就是說,地球上的生物大分子都是以碳為骨架的。在這個宇宙中的100來種元素中,只有碳原子最能彼此相連,形成長鏈和環(huán)形結(jié)構(gòu)。這就是生物大分子的基礎(chǔ)。在碳骨架上還能連上各種功能基團,形成復(fù)雜的化合物。看看煤和石油,就可以實際感受一下地球上的生命以碳為基礎(chǔ)的事實。煤和石油就是過去地球上的生物被埋在地下,經(jīng)高溫高壓分解,所遺留下來的碳骨架。
但是以碳為基礎(chǔ)的生命不一定要采用現(xiàn)在地球上生命的模式。比如遺傳物質(zhì)就不一定是DNA或RNA,執(zhí)行催化功能的分子(酶)也不一定是蛋白質(zhì)。這樣的生物與地球上的生物由于“零件”不同,彼此不能通用,也就不能互為食物了。就算他們的“零件”也是有機物,燃燒也能產(chǎn)生熱量,我們的身體里也沒有利用它們的酶。要和這樣的生物一起開派對,雙方都得自帶食物。
在地球上,水面積就占地球面積的70%。雖然地球上擁有大量的水資源,但真正可飲用的淡水資源的分布極不均勻,利用率又極低,再加上地球上的各種生命對水的需求量都很高,這就造成了淡水資源的嚴(yán)重缺乏。盡管這樣,人們?nèi)悦つ康乩速M,不明白其中的重要性,你想一想,如果再這樣浪費下去,地球上的淡水遲早會被我們用完,要是地球上沒有水,沒有清潔的淡水,那該是多么得可怕呀!水資源的嚴(yán)重缺乏,是一場世界性的災(zāi)難,為了彌補地表水的嚴(yán)重不足,人們更把目光投向地下深處的深層水。但由于人們的長期開采,這些深層水也越來越少,甚至沒有。
現(xiàn)在,我們只有節(jié)約用水,保護水資源,才能緩解目前地球上供水困難的狀況。
水,是生命的搖籃;水,是萬物生長的乳汁。浩瀚的海洋,奔騰的江河,平靜的湖泊,涓涓的溪流……美麗的水圈構(gòu)成了萬物生長的源泉。