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如果把地球那么大的一团水放在太空会发生什么?

2014-08-25科学

实名反对

@airbunny

的答案。

这个答案在物理上存在诸多疑点,

对这样不严谨的答案在短时间内获得1000赞,我表示十分遗憾。

以下是对这个答案(2014.8.25版本)的质疑:

疑点一:

在这种状况下,水的物理形态会发生变化,熔点会因为高压变得非常高,从而使水在那种环境下凝固成冰。

没有计算数据支持的揣测都是耍流氓 ……根据本人反复计算,对于地球大小的大水球,其中心压力大约在 5.7GPa ,根据水的三相图(参见

Triple point

)在这个压力下,是很可能无法形成固态水的,根据水温度的不同,它可能形成 超临界流体,也可能只是普通的液态水,这个有待进一步的计算。

疑点二:

这层流体的密度会随着深度的增加线性上升,而达到相当大的程度。

相信答主对超临界流体了解得不多,其实我也了解得不多。但是对于不会的东西,需要查资料来证明。参见

超臨界流體

,在维基百科上,清楚地写着,对于超临界流体,它的密度大约在 0.1~1 克每立方厘米,其密度并非高于普通状态的水。其密度绝对不可能达到「相当大的程度」。

疑点三:

在这层超临界流体之上,会是一层大约20公里深的水。

请求数据来源。

疑点四:

如果这团水处于离恒星很近的地方,因为恒星的加温,水球表面的温度会很高,因此会维持液态。这样的话就与没有陆地的地球无异。一部分水会蒸发,形成含有水蒸气的大气层。

地球的大气层的存在并非完全因为水,而是因为其他元素尤其是行星形成初期的尘埃。个人倾向于水蒸发后无法形成大气层而是会消失在星际空间中(参见下文)。

疑点五:

如果时间足够长的话,表面的水会慢慢光致分解,变成氢和氧进入大气层。

请原谅我的化学水平太低,实在想不明白这个"光致分解「的反应是如何发生的。关于所谓的光致分解,我查到的资料是这个:

光致分解

,这个和水并无关系。我百度了很多内容,没有发现水也能光致分解的。我猜测答主的含义特指太阳的紫外线光解吧,但这个反应也不是随随便便发生的,需要一定的条件。

疑点六:

由于氢很容易被太阳风带走,时间久了,这个水球的大气层里就会富含水蒸气和氧。会有正常的风、大气环流、洋流和云雨。如果他的位置处于恒星的宜居区,甚至会有孕育生命的环境。

风、大气环流、洋流和云雨是如何形成的?我实在是难以理解。很多东西只有地球上才有,形成条件是非常苛刻的。如果能那么轻易地形成这些,我们大概已经找到好多好多适宜居住的星球了吧?孕育生命就更不可信了,连碳元素和硅元素都没有,连有机物都不会存在,又何来生命?

疑点七:

但如果他距离恒星太近,表面的水会进入沸腾的状态。于是你看到的这团水球的表面就会是一团开水。沸腾的水形成水蒸气的大气层,并迅速被太阳风带走。由于表面的高温,外层的液态水也会变成超临界流体。

之前已经给出了超临界流体的定义,星球表面的水,无论从温度还是压力上都不存在形成超临界流体的条件。

………………

可能还有一些疑点,就不一一列举了。

………………

对于水球这样一个理想模型,其物理机制可能非常复杂,要完全解释清楚是相当困难的事情,我并不认为现在能有很多人能解释清楚。

不过,既然已经说了那么多了,我也尝试着给出自己的模型,

肯定是不够专业的,也许会有很多疏漏甚至是错误之处,还请大家多多指教。

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模型的 初始条件 假设(尽可能严谨):

1、在太阳系中,对于外力,仅考虑太阳对其的作用力,其他所有天体一概忽略;

2、在地球的轨道上,即距离太阳 1 天文单位;在这个轨道上,要保证绕太阳匀速圆周运动,其公转速度必须和地球一致,即公转周期大约是 365.2422 太阳日;

3、星球的构成是纯H_{2}O ,它的形状是绝对球形,半径和地球一样为6371 km;

4、星球初始密度为均匀分布,所有位置均为 1 g/cm^{3} (自然,这个状态并不能稳定存在);

5、这个星球有一定速度的自转以保证稳定性。

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一、这是一颗怎样的星球?

容易地,我们可以计算出它的质量:

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

对于球体内部距离中心为r的一个小质量体m,其受力大小为:

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

于是在该点的重力加速度为:

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

故其中心的压力为

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

这个压力大约是一个标准大气压的 56000倍。

(注:如果是 质量 和地球一样,半经将会是地球的1.77倍,中心压力大约是17.7GPa)

在这样的压力下,H_{2}O 将以什么形式存在?

参见下图(水的三相图,来自

Triple point

我们只知道水的压强,暂时不知道水的温度,所以我用红圈圈出它可能的形态,根据水初始的温度它可能形成的状态有:

冰七

(0~约225℃)、液态水(约225℃~373.9℃)或

超临界流体

(>373.9℃)。

(注:如果是 质量 和地球一样,中心压力大约是17.7GPa,中心状态可能是冰七和超临界流体,但不会是液态水,但在星球的其它位置,依然可能有液态水,其实差别不是太大)

根据维基百科提供的资料,冰七的密度大约是1.65g/cm^{3} ,普通水由于液体的难以压缩性,其密度大约在 1g/cm^{3} ,而超临界流体的密度大约在 0.1~1g/cm^{3} 。

由此可见,虽然均匀分布的H_{2}O 球是不稳定的,但是 整个H_{2}O 球可能的相态也就只有 超临界流体、 冰七 液态水 和水蒸气(在星球表面)四种 。其中冰七可能不存在,而前三者的密度在 0.1~1.65g/cm^{3} 的范围内,比较有可能的情况是由于超临界流体的存在(冰七即使存在,其范围也十分有限), 这个H_{2}O 球会略微膨胀一些

二、大气层是否可以形成?

如果没有大气层的约束,那么在星球表面的压力就极小,几乎为零,从水的三相图中可以看到,若如此,对于任何大于-50℃的环境,H_{2}O 都将以水蒸气的状态存在。于是,在太阳风的作用下,星球可能会逐步蒸发。

问题在于,大气层是否存在?

这个问题很难回答,但个人倾向于大气层不能稳定存在。

参考地球上大气的形成:

原始大气圈

。地球的大气经历了 原始大气、次生大气和现代大气三个阶段。在原始大气阶段,大气层的物质主要是氢和氦,但由于地球引力不够和太阳风的影响,这一层大气很快就消失掉了。这个阶段和我们要讨论的H_{2}O 球是类似的。而次生大气是由地球内部火山喷发后形成的水汽、二氧化碳、氮、甲烷和氨等生成,我们显然不具备这个条件。

类似地,金星大气层可以参见

金星大氣層

,在大气的形成过程中「包含水蒸气等较轻气体则持续被太阳风经由诱发磁尾吹出金星大气层」。以及火星的大气层:

火星大氣層

,其中只含有微量的水蒸气。

金星、地球和火星的外部条件和我们要讨论的H_{2}O 球是相近的,但是三者大气的形成过程中水蒸气都占了很小一部分,并且除了地球外,另外两颗星球的大气主要成分是CO_{2} ,而这其中的碳元素的来源主要是行星内部。

一个不严谨的推测是:水分子由于分子量太小,它的蒸汽状态无法 单独 在大气层中稳定存在,在

太阳风

的作用下,它极有可能被吹散在太空之中。

(另:类似于地球的行星,之所以能抵御

太阳风

,很大程度是因为地磁场的存在,而磁场的存在主要是因为地球中心有铁元素,依靠自转来形成,但是大水球不具备这样的条件,它怎么转都没有磁场,所以可能完全无法抵御太阳风。)

如果没有稳定的大气层,H_{2}O 球会何去何从?

三、冰火两重天

幸好,我们有现成的例子,那就是

月球

。月球是什么状态?没有大气。

失去了大气层的屏障,月球的表面温度简直可以用「冰火两重天」来形容。向阳面,在太阳的照射下,最高温度能达到127℃,而在背阳面,由于失去了保温作用,它的温度可以低至-183℃。

如果一个H_{2}O 球拥有这样的环境,它会怎么样呢?

我想可能是这样的(大小比例不一定恰当):

在太阳光的照射下,向阳的星球表面会迅速形成水蒸气,而背阳面因为温度过低而形成冰层,而其内部分别是液态水以及超临界流体(或冰七,根据它的温度)。

显然地,在向阳面,水蒸气会迅速蒸发,因为无法形成大气层,加上太阳风的作用,所以它很快会在太空中。

而在背阳面,形成的冰是否就可靠呢?当然不是!行星总是有自转的,虽然在太阳的潮汐力的影响下,自转速度可能会减慢,但毕竟距离太阳太远,自转速度无法减到零(地球就是一个很好的例子),因此正如昼夜交替一样,背阳面很快就会变成向阳面,它所形成的冰也会迅速融化(甚至是升华),而转到背面去的水蒸气,还没来得及蒸发,又在低温下结成了冰。

四、我的心,被你一层层地剥开,一边剥一边哭,最后终于随风飘走,什么也没有留下

一边自转,一边蒸发,在不断地凝固、融化、升华和凝华下,大H_{2}O 球的半径越来越小,内部的结构(液态水和超临界流体或冰七)也逐渐地变得越来越小。

只有H_{2}O ,没有其它物质,没有东西能阻止这个过程的进行。这个大H_{2}O 球,终于不复存在。

也许你暂时能看到它留下的痕迹:有一滩薄薄地水,均匀分布在它原来的轨道上。

但是,不比小行星带,它那柔弱的外表,是禁不起风吹日晒的。

一阵太阳风吹来,它终于被吹走了。吹到了更远的地方。

这个曾经晶莹剔透、秀色可餐的大水球,就这样消失在了茫茫星海中。

什么也没有留下。

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注:本文已经收录至我的专栏

假如把地球那么大的水球置于太空中 - 翱翔在茫茫宇宙中 - 知乎专栏

如需深度讨论,最好移步该处吧。

谢谢大家指教。