地球的水是怎樣形成的
地球的水從何而來，一直是一個非常誘人的話題，對于這個問題的研究在一段較長的時間內恐怕不易得到一個令所有人都接受的終極答案。今天，我嘗試從一個與過去流行的各種流派稍覺不同的角度對這個充滿誘惑的課題進行一點研究，給人們多一個思考的途徑。歡迎各位學者一同交流。
第一部分 系統(tǒng)理論
為什么我在討論這個問題前首先論述另外一個課題呢？我在較早以前曾經長時間思考過，我們用怎樣的角度研究問題，可以更能接近問題的本質，更能接近真理呢？在以往的其它課題的研究時，我嘗試了通過類比的方法，從不同的層面、方向理解，似乎與單從該問題的一方面著手更有效，但仍覺有所欠缺。前不久，在一個悼念老一輩偉大的科學家錢學森教授的活動中了解到，錢老在晚年曾試圖擠出一點時間來專門研究系統(tǒng)科學，我如醍醐灌頂，豁然開朗。因為，不管我怎樣類比，總脫不掉一個狹窄的框框，只有把問題放在一個“系統(tǒng)”里理解、研究，才有可能全面地、準確地、客觀地認識它的本質，才能發(fā)揮它的最大價值。從這個方向理解，我相信“系統(tǒng)論”將會成為解決許多學術問題的重要理論。
盡管我限于個人的才能與見識，還不可能完全理解體會錢老的科學思想與系統(tǒng)科學的實質，但我依然深感系統(tǒng)理論必定在未來非常廣泛的學術領域得到越來越多的重視，發(fā)揮越來越大的作用，并對社會政治、經濟、教育、人文、軍事、自然科學、環(huán)境科學乃至于宇宙研究、生物進化等幾乎所有的范疇都產生極其重要的影響。系統(tǒng)科學既是一門理論，同時也是一種工具，一種思維方法。在接下來的一段時間里，我將試圖從幾方面的課題入手，從幾個子系統(tǒng)不同的角度研究幾個有趣的話題，希望能給大家一個新的感覺。其中包括人類的起源與進化，恐龍的發(fā)展與滅絕，地球的水的來源，月球等衛(wèi)星與彗星的來源等，我愿意為發(fā)展系統(tǒng)科學貢獻自己一點微薄的力量。
第二部分 地球的水從何來
直到今天為止，我們還不能完全了解，為什么在我們所認識的天體里，只有地球如此得天獨厚地擁有豐富的水資源，為生命的出現(xiàn)與蓬勃發(fā)展提供了必要的前提條件，使地球演化出精彩絕倫的無限風光。目前，科學界普遍認同的幾個學術流派，放在系統(tǒng)理論的角度推敲，都顯出了它們的片面性，不能反映事實真相，不能解釋同類事件，因此顯得不能令人信服的。下面，我分別對幾個流行的觀點進行剖析，找出這些研究者理論上的缺陷。
一、有一種理論認為，地球的水來自地下水。
這種理論的依據(jù)認為，地球的火山運動把本來儲存在地幔深處的地下水帶到了地面形成了河流湖泊。后來人們通過對地下水與地表水的成分分析，判斷，這些地下水其實只是地表水不斷循環(huán)的結果。這種理論受到了質疑，盡管還不能完全否定，但起碼是還不完善的。
二、有理論認為，地球的水來自我們的姐妹星球——月球。
在某一個地質年代，原月球在太陽系里亂闖，進入了近地軌道，在某一天被地球引力所俘虜，與地球發(fā)生了強烈碰撞，撞擊的碎片后來凝聚成月球，原來在月球上的水全部被地球所獲，月球從此失去了水源，而地球從此得到了今天我們所看到的無窮的水。而地球被月球撞擊的位置形成了巨大的凹陷，在后來被水灌滿了變成了今天的太平洋地區(qū)。這個觀點存在許多難以自圓其說的地方。首先，我們不能理解，為什么地球本來沒有水，是不是就象水星、金星和火星一樣，原來有水，后來失去了，還是這幾個天體本來就一直從來不曾有過水？為什么地球沒有水反而月球有水？就算月球上的水全部給了地球是否剛好就是今天地球所有的水的唯一來源？同時，原月球的水從何而來？
三、地球的水來源于彗星。
有科學家在拍攝到的地球衛(wèi)星圖中發(fā)現(xiàn)有許多斑斑點點的光斑，后來被證實是來自天外的彗星，認為，正是這些彗星為地球帶來了水。但通過計算，算出在過去的四十六億年時間里，按照光斑的概率，這些天外來客給出的水量是目前地球總儲存量的好幾倍，表明地球上的水來源于彗星的理論同樣存在疑點。
四、最近，一種新的理論認為，地球的水來自太陽風。
有關人員通過推理認為，從四十六億年前，太陽開始產生聚核反應，從此以
后便釋放電磁風暴，這股強烈的太陽風攜帶著大量的氫離子，來到地球后與地球上的氧原子產生化學反應形成水。有學者甚至認為，這個新理論是比較科學與比較令人信服的。但我們在研究地球生命發(fā)展史時，大部分學者都認為，地球早期是一個充滿還原性氣體的星球，而氧氣只是在地球中后期由于藻類生物得到了豐富的發(fā)展而產出的。如果地球的水由太陽風里的氫與地球上的氧結合而來，試
問，地球上是先有水還是先有生物？
關于地球水的來源還存在許多學說，不一一羅列。
我們來看一看上述比較有代表性的流派，他們都犯了那些致命的缺點，使這些觀點一點都站不住腳。
在回答地球的水從何而來這個問題上，我們必須建立一個體系，這個體系能同時解釋整個太陽系的系統(tǒng)，能回答太陽系里其它天體的水的起源、消失，甚至能推廣到整個宇宙系統(tǒng)的理解，只有這樣，地球的水才算有根有源。
上述的理論不能解釋，如果它們的理解是對的，那么，太陽系中其它天體的水從何而來，月球的水從何而來，彗星的水從何而來，柯依伯帶天體的水從何而來，更重要的是，天王星海王星冥王星這些與地球一樣繞著太陽公轉的行星為什么同樣存在大量的水？這眾多的行星、衛(wèi)星、彗星的水是否同樣來自象月球這樣的天體，或者來自太陽風，這些天體上是否與地球一樣存在足夠的氧與太陽風里的氫合成水，還是所有的行星它們的水都來自彗星的撞擊？
系統(tǒng)理論認為——所有的天體它們的水都是與生俱來的，從它們形成的時候起，水已經存在。
我們研究地球上的水的來源，我認為不能把問題孤立在地球單個天體上，而是應該把它放在整個系統(tǒng)里理解。當我們解釋了地球上的水形成的機理后，這個理解在整個太陽系里普適，可以同時解釋其它所有或絕大部分天體水的起源。
這就是系統(tǒng)科學與眾不同的地方。
我們觀測太陽系最長久，相對而言也最透徹。我們已經知道，太陽系里不單地球存在大量的水，研究成果表明，水星、金星、火星、天王星、海王星、冥王星、彗星等眾多不同大小、不同軌道、不同日距、不同物質結構，擁有不同化學元素的天體幾乎無一例外都存在水，最近美國科學家在觀測月球深度撞擊事件中發(fā)現(xiàn)了月球上存在較多的水的事實。從而從另外一個角度證明，在太陽系里幾乎全部的天體上都有水（注：我在《生命搖籃》一文中把太陽系里的天體按成分分成兩大類，一類是恒星、類恒星，包括太陽、木星和土星，它們主要由等離子物質構成，稱為等離子天體；其余通通劃歸一類，稱為分子天體，包括其余的行星、衛(wèi)星、彗星、小行星，它們都是由硅酸鹽、鐵、鎳、冰、氣體等分子物質組成）。因此，我們要解釋地球的水的來源，必須同時解釋太陽系所有天體的水的來源。
我在《生物多樣性》一文里曾經引用過當今最新的科研成果。研究表明，在原始星云中存在大量的氫、氦、碳、氧、硫、氮等化學元素，同時，我們還發(fā)現(xiàn)在幾乎所有的超新星大爆炸噴發(fā)出來的巨大行星盤物質里同樣存在大量的氫、氦、氧、碳、硫、鐵、鎳、硅、鎂、鋁等元素。這些成果告訴我們，在宇宙中，碳、氫、氧等是普遍存在的，儲量是豐富的。實驗室研究結果表明，在一定的溫度、壓力條件下，這些化學元素可以自由結合成各種氣體以及化合物。這些化合物包括結晶水、碳氫化合物、碳水化合物、二氧化碳、二氧化硫、硫化氫等物質，它們在冰冷的宇宙背景下碰撞形成團塊，以贓雪球的形式儲存在太空中。
我們認為，太陽系的形成，不論是原始星云學說還是星系碰撞說，都不可避免地允許所有的天體在形成之初就已經存在水。
我在《太陽系形成新知》一文中，這樣解釋太陽系的形成，在60億年前，太陽系依然處于原始星云狀態(tài)，由于這片星云的位置在遠離銀河系銀心的一條旋臂上，同時星云密度較小，總質量并不很大，因此，這片星云雖然與銀河系一樣已存在了120億年，但正是它自身的這些原因使它收縮的速度很慢。愛因斯坦相對論認為，太陽星云的質量相對較小，在漫長歲月里，一直未能使周圍的時空形成足夠的彎曲，因此不能凝聚成星球。（按照相對論原理，大質量高密度星云最早形成星球與星系）但就在60億年前，在距離太陽星云不到2光年遠的空間里發(fā)生了一次超新星爆炸，巨大的爆炸力形成的沖擊波壓迫了太陽星云，同時使太陽星云額外地得到了一定質量的物質，加快了星云的收縮，經過大約幾億年的時間，星云密度越來越大，開始形成越來越快的自旋，萬有引力發(fā)揮的作用也越來越大，周圍時空越來越彎曲，最大部分的星云物質最終形成了太陽，其余的大部分物質在太陽萬有引力作用下，慢慢凝聚成另外一顆伴星——原始木星。其余星云物質疏散分布在周圍空間，這些物質包含一定量的氫、氦、氧、硫等輕元素，以及少量的水分子氣體，甲烷氣體云，那時由于太陽系與發(fā)生大爆炸的超新星系統(tǒng)之間距離較近，在相互的萬有引力的作用下，兩個系統(tǒng)相互吸引靠近，最終碰撞在一起。兩個系統(tǒng)里的物質相互結合形成更多的水、甲烷、二氧化碳、二氧化硫、硫化氫等氣態(tài)物質。
我們知道，不同的物質存在不同的冷凝點。鐵大約在低于15000的溫度環(huán)境下就會凝結成固體，硅則低于13000時，呈現(xiàn)固體狀態(tài)，而我們知道，水在00到990之間是液態(tài)，低于00時凝結成冰，而二氧化碳卻要到-780才能變成干冰，甲烷的凝固點則是-1230。
由此我們可以這樣理解，在超新星發(fā)生爆炸時，行星盤物質的溫度相對較高，大部分彌散物質都處于氣態(tài)狀態(tài)，隨著大爆炸結束，空間溫度慢慢降低，當溫度降到15000C時，塵埃云里的鐵首先凝聚成團，但很快溫度就到了硅凝結的13000C，因此，空間里首先形成了大大小小各種各樣不同的鐵鎳核與硅巖石，經過一段較長的時間后，溫度降至00C，水開始凝結成冰并附著在鐵鎳硅巖石的表面。我們知道，宇宙空間的溫度最終是非常低的，整個宇宙微波背景溫度只有2.7K，因此，當溫度降到-780C時，二氧化碳冰開始形成，到了-1230C時，甲烷冰開始凝結，冰一層一層地覆蓋在上面，最終，這些所有的天體都形成了鐵鎳核硅巖石水冰甲烷冰等氣體冰包裹著的星球，并在太陽系彎曲的時空里運動，形成最終的太陽系。體型大的成了行星，次之的變成了衛(wèi)星，質量更小的形成柯伊伯帶彗星。從這個系統(tǒng)模型中我們輕而易舉地得到一個結論，太陽系里所有的天體與生俱來都存在水、甲烷、二氧化碳、二氧化硫、硫化物等物質，同時它們都擁有一定質量的鐵鎳硅等重物質，形成它們的球核。這個結論很好地與我們觀測到的太陽系真實情形完全吻合。這就是系統(tǒng)理論的魅力。
在46億年前，恒星、類恒星里，同樣存在水等非金屬氧化物以及甲烷、乙烷，但由于太陽內部溫度很高，這些氣態(tài)物質在太陽內部溫度剛開始升高之初，已最早電離成等離子狀態(tài)，不能以分子形式存在，不斷地隨太陽風向外發(fā)射，而木星、土星上的水、甲烷、二氧化碳、二氧化硫等則因為這兩個天體的主要成分是等離子氫等物質，溫度同樣很高，經常處于氣體狀態(tài)，形成濃厚的溫室大氣，在其余的類地天體中，水星、金星非?？拷枺瑴囟纫埠芨?，氣體物質在經過漫長的地質年代后，已丟失得所剩無幾了，尤其是比重較輕的水分子，蒸發(fā)得更徹底。由于水的丟失，金星內部的熔巖缺乏結晶水，在經歷了幾十億年水的循環(huán)蒸發(fā)后，巖石流動性已非常低，它的火山活動變得不那么活躍了，當火山爆發(fā)時，大量的熔巖只能慢慢地“溢”出來，形成廣袤的熔巖高原，最后不再發(fā)生地震與火山活動?；鹦怯捎谫|量小，萬有引力很小，不能吸引住氣體物質，水、甲烷等輕物質在經過漫長歲月后，已基本丟失，火星河流存在時間可能比金星、水星更長久，但可能在還遠未形成比細菌更高級的生命前同樣已全部蒸騰并被太陽風吹散到太空中，星體表面也就變成一片荒漠了，而天王星、海王星、冥王星以及其它衛(wèi)星、彗星由于遠離太陽，受到太陽熱輻射的量很少，不足以使它們表面的冰蓋完全融化，就形成今天我們所觀測到的那樣，是一個冰冷的世界。毫無疑問地，這些天體上一定存在比地球儲量更多的水冰、甲烷冰、二氧化碳冰等物質。
由此推斷，水在原始星云中，在超新星爆炸的行星盤物質里普遍存在，但我認為，當天體一旦形成穩(wěn)定體積后，它的物質總量也就基本穩(wěn)定下來了，不斷改變的，只是天體內部化學成分的比例。以地球為例，每天從太陽風里獲得的氫離子和地球大氣中被紫外線電離散逸的氫離子可能相差不大，只使地球大氣圈里氧的含量慢慢增加了，地球額外獲得的氦以及太陽風帶來的金屬離子，對地球總質量的影響低到可以忽略不計。地球的水的總量在幾十億年間可能是基本恒定的，隨著氣溫的改變，地球水以幾種不同的形式存在，不斷循環(huán)。假定我們以間冰期為參照期，當陸地最終形成后，全球的淡水包括河流、湖泊、濕地、雪山、冰川、兩極以及地下水系，地球內部的結晶水，作為一個標準量，那么，淡水與海水之間通過降雨、百川歸海的途徑實現(xiàn)循環(huán)變化，它們之間維持著一種微妙的平衡，這時全球的氣候長時間穩(wěn)定，按四季運行變化，萬物欣欣向榮，生命各自在它們的生物鏈位置上生活著。一旦氣溫升高，雪山、冰川、兩極冰原消失，淡水河流失去了水源，植物開始枯萎，地表土壤干裂，形成大范圍的沙漠化，不能涵養(yǎng)水土，地下水位必同時下降，風暴襲來，很容易發(fā)生洪水、泥石流等災害。這時的淡水總量將極大地減少，海水相應增加，便會發(fā)生海水倒灌的海侵現(xiàn)象，沿海地區(qū)沉于海底。相反，當冰河來臨，地球表面到處冰封，淡水總量大幅上升，海水總量減少，發(fā)生海退，大量陸地裸露，大陸板塊之間形成陸橋。這些情形在震旦紀以后的地質年代曾多次上演。
這就是所有天體的水的共同來源。
