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如果把地球那麽大的一團水放在太空會發生什麽?

2014-08-25科學

實名反對

@airbunny

的答案。

這個答案在物理上存在諸多疑點,

對這樣不嚴謹的答案在短時間內獲得1000贊,我表示十分遺憾。

以下是對這個答案(2014.8.25版本)的質疑:

疑點一:

在這種狀況下,水的物理形態會發生變化,熔點會因為高壓變得非常高,從而使水在那種環境下凝固成冰。

沒有計算數據支持的揣測都是耍流氓 ……根據本人反復計算,對於地球大小的大水球,其中心壓力大約在 5.7GPa ,根據水的三相圖(參見

Triple point

)在這個壓力下,是很可能無法形成固態水的,根據水溫度的不同,它可能形成 超臨界流體,也可能只是普通的液態水,這個有待進一步的計算。

疑點二:

這層流體的密度會隨著深度的增加線性上升,而達到相當大的程度。

相信答主對超臨界流體了解得不多,其實我也了解得不多。但是對於不會的東西,需要查資料來證明。參見

超臨界流體

,在維基百科上,清楚地寫著,對於超臨界流體,它的密度大約在 0.1~1 克每立方厘米,其密度並非高於普通狀態的水。其密度絕對不可能達到「相當大的程度」。

疑點三:

在這層超臨界流體之上,會是一層大約20公裏深的水。

請求數據來源。

疑點四:

如果這團水處於離恒星很近的地方,因為恒星的加溫,水球表面的溫度會很高,因此會維持液態。這樣的話就與沒有陸地的地球無異。一部份水會蒸發,形成含有水蒸氣的大氣層。

地球的大氣層的存在並非完全因為水,而是因為其他元素尤其是行星形成初期的塵埃。個人傾向於水蒸發後無法形成大氣層而是會消失在星際空間中(參見下文)。

疑點五:

如果時間足夠長的話,表面的水會慢慢光致分解,變成氫和氧進入大氣層。

請原諒我的化學水平太低,實在想不明白這個"光致分解「的反應是如何發生的。關於所謂的光致分解,我查到的資料是這個:

光致分解

,這個和水並無關系。我百度了很多內容,沒有發現水也能光致分解的。我猜測答主的含義特指太陽的紫外線光解吧,但這個反應也不是隨隨便便發生的,需要一定的條件。

疑點六:

由於氫很容易被太陽風帶走,時間久了,這個水球的大氣層裏就會富含水蒸氣和氧。會有正常的風、大氣環流、洋流和雲雨。如果他的位置處於恒星的宜居區,甚至會有孕育生命的環境。

風、大氣環流、洋流和雲雨是如何形成的?我實在是難以理解。很多東西只有地球上才有,形成條件是非常苛刻的。如果能那麽輕易地形成這些,我們大概已經找到好多好多適宜居住的星球了吧?孕育生命就更不可信了,連碳元素和矽元素都沒有,連有機物都不會存在,又何來生命?

疑點七:

但如果他距離恒星太近,表面的水會進入沸騰的狀態。於是你看到的這團水球的表面就會是一團開水。沸騰的水形成水蒸氣的大氣層,並迅速被太陽風帶走。由於表面的高溫,外層的液態水也會變成超臨界流體。

之前已經給出了超臨界流體的定義,星球表面的水,無論從溫度還是壓力上都不存在形成超臨界流體的條件。

………………

可能還有一些疑點,就不一一列舉了。

………………

對於水球這樣一個理想模型,其物理機制可能非常復雜,要完全解釋清楚是相當困難的事情,我並不認為現在能有很多人能解釋清楚。

不過,既然已經說了那麽多了,我也嘗試著給出自己的模型,

肯定是不夠專業的,也許會有很多疏漏甚至是錯誤之處,還請大家多多指教。

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模型的 初始條件 假設(盡可能嚴謹):

1、在太陽系中,對於外力,僅考慮太陽對其的作用力,其他所有天體一概忽略;

2、在地球的軌域上,即距離太陽 1 天文單位;在這個軌域上,要保證繞太陽勻速圓周運動,其公轉速度必須和地球一致,即公轉周期大約是 365.2422 太陽日;

3、星球的構成是純H_{2}O ,它的形狀是絕對球形,半徑和地球一樣為6371 km;

4、星球初始密度為均勻分布,所有位置均為 1 g/cm^{3} (自然,這個狀態並不能穩定存在);

5、這個星球有一定速度的自轉以保證穩定性。

—————————

一、這是一顆怎樣的星球?

容易地,我們可以計算出它的質素:

M=\frac{4}{3} \pi R^{3}\rho=1.08\times 10^{24}kg

對於球體內部距離中心為r的一個小質素體m,其受力大小為:

F_{r}=G\frac{M_{r} m}{r^{2} }=mg_{r}

於是在該點的重力加速度為:

g_{r}=\frac{GM_{r} }{r^{2} }=\frac{G\cdot \frac{4}{3}\pi r^{3}\rho }{r^{2} }=\frac{4}{3}G\pi r\rho

故其中心的壓力為

P=\int_{0}^{R}\rho g_{r}dr=\frac{4}{3}G\pi \rho ^{2} \int_{0}^{R}rdr=\frac{2}{3}G\pi \rho ^{2}R^{2}\approx 5.67\times 10^{9}Pa=5.67GPa

這個壓力大約是一個標準大氣壓的 56000倍。

(註:如果是 質素 和地球一樣,半經將會是地球的1.77倍,中心壓力大約是17.7GPa)

在這樣的壓力下,H_{2}O 將以什麽形式存在?

參見下圖(水的三相圖,來自

Triple point

我們只知道水的壓強,暫時不知道水的溫度,所以我用紅圈圈出它可能的形態,根據水初始的溫度它可能形成的狀態有:

冰七

(0~約225℃)、液態水(約225℃~373.9℃)或

超臨界流體

(>373.9℃)。

(註:如果是 質素 和地球一樣,中心壓力大約是17.7GPa,中心狀態可能是冰七和超臨界流體,但不會是液態水,但在星球的其它位置,依然可能有液態水,其實差別不是太大)

根據維基百科提供的資料,冰七的密度大約是1.65g/cm^{3} ,普通水由於液體的難以壓縮性,其密度大約在 1g/cm^{3} ,而超臨界流體的密度大約在 0.1~1g/cm^{3} 。

由此可見,雖然均勻分布的H_{2}O 球是不穩定的,但是 整個H_{2}O 球可能的相態也就只有 超臨界流體、 冰七 液態水 和水蒸氣(在星球表面)四種 。其中冰七可能不存在,而前三者的密度在 0.1~1.65g/cm^{3} 的範圍內,比較有可能的情況是由於超臨界流體的存在(冰七即使存在,其範圍也十分有限), 這個H_{2}O 球會略微膨脹一些

二、大氣層是否可以形成?

如果沒有大氣層的約束,那麽在星球表面的壓力就極小,幾乎為零,從水的三相圖中可以看到,若如此,對於任何大於-50℃的環境,H_{2}O 都將以水蒸氣的狀態存在。於是,在太陽風的作用下,星球可能會逐步蒸發。

問題在於,大氣層是否存在?

這個問題很難回答,但個人傾向於大氣層不能穩定存在。

參考地球上大氣的形成:

原始大氣圈

。地球的大氣經歷了 原始大氣、次生大氣和現代大氣三個階段。在原始大氣階段,大氣層的物質主要是氫和氦,但由於地球重力不夠和太陽風的影響,這一層大氣很快就消失掉了。這個階段和我們要討論的H_{2}O 球是類似的。而次生大氣是由地球內部火山噴發後形成的水汽、二氧化碳、氮、甲烷和氨等生成,我們顯然不具備這個條件。

類似地,金星大氣層可以參見

金星大氣層

,在大氣的形成過程中「包含水蒸氣等較輕氣體則持續被太陽風經由誘發磁尾吹出金星大氣層」。以及火星的大氣層:

火星大氣層

,其中只含有微量的水蒸氣。

金星、地球和火星的外部條件和我們要討論的H_{2}O 球是相近的,但是三者大氣的形成過程中水蒸氣都占了很小一部份,並且除了地球外,另外兩顆星球的大氣主要成分是CO_{2} ,而這其中的碳元素的來源主要是行星內部。

一個不嚴謹的推測是:水分子由於分子量太小,它的蒸汽狀態無法 單獨 在大氣層中穩定存在,在

太陽風

的作用下,它極有可能被吹散在太空之中。

(另:類似於地球的行星,之所以能抵禦

太陽風

,很大程度是因為地磁場的存在,而磁場的存在主要是因為地球中心有鐵元素,依靠自轉來形成,但是大水球不具備這樣的條件,它怎麽轉都沒有磁場,所以可能完全無法抵禦太陽風。)

如果沒有穩定的大氣層,H_{2}O 球會何去何從?

三、冰火兩重天

幸好,我們有現成的例子,那就是

月球

。月球是什麽狀態?沒有大氣。

失去了大氣層的屏障,月球的表面溫度簡直可以用「冰火兩重天」來形容。向陽面,在太陽的照射下,最高溫度能達到127℃,而在背陽面,由於失去了保溫作用,它的溫度可以低至-183℃。

如果一個H_{2}O 球擁有這樣的環境,它會怎麽樣呢?

我想可能是這樣的(大小比例不一定恰當):

在太陽光的照射下,向陽的星球表面會迅速形成水蒸氣,而背陽面因為溫度過低而形成冰層,而其內部份別是液態水以及超臨界流體(或冰七,根據它的溫度)。

顯然地,在向陽面,水蒸氣會迅速蒸發,因為無法形成大氣層,加上太陽風的作用,所以它很快會在太空中。

而在背陽面,形成的冰是否就可靠呢?當然不是!行星總是有自轉的,雖然在太陽的潮汐力的影響下,自轉速度可能會減慢,但畢竟距離太陽太遠,自轉速度無法減到零(地球就是一個很好的例子),因此正如晝夜交替一樣,背陽面很快就會變成向陽面,它所形成的冰也會迅速融化(甚至是昇華),而轉到背面去的水蒸氣,還沒來得及蒸發,又在低溫下結成了冰。

四、我的心,被你一層層地剝開,一邊剝一邊哭,最後終於隨風飄走,什麽也沒有留下

一邊自轉,一邊蒸發,在不斷地凝固、融化、昇華和凝華下,大H_{2}O 球的半徑越來越小,內部的結構(液態水和超臨界流體或冰七)也逐漸地變得越來越小。

只有H_{2}O ,沒有其它物質,沒有東西能阻止這個過程的進行。這個大H_{2}O 球,終於不復存在。

也許你暫時能看到它留下的痕跡:有一灘薄薄地水,均勻分布在它原來的軌域上。

但是,不比小行星帶,它那柔弱的外表,是禁不起風吹日曬的。

一陣太陽風吹來,它終於被吹走了。吹到了更遠的地方。

這個曾經晶瑩剔透、秀色可餐的大水球,就這樣消失在了茫茫星海中。

什麽也沒有留下。

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註:本文已經收錄至我的專欄

假如把地球那麽大的水球置於太空中 - 翺翔在茫茫宇宙中 - 知乎專欄

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謝謝大家指教。