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世界科技全景百卷书: 地球之水
水是生命的乳汁，各种生命都离不开水。 奔腾的江河湖泊，皑皑的冰山雪岭，浩瀚的海洋，飘荡的白云，共同组成了地球广阔的水圈。水是地球生命的源泉，是经济发展的命脉，是地球奉献给人类最宝贵的资源。 在总面积为5.1亿平方千米的地球上，海洋面积就达3.6亿平方千米，占全球表面积的70％以上。而剩下不足30％的陆地上仍分布有江河、湖泊、冰山雪岭。在地球表面，上至天空，下至岩层，到处都有水的行踪。 地球的水圈是由地表水、地下水、大气水和生物水组成的特殊圈层。地表水是积聚在江河湖海里的液态水和分布在高山、高纬度地区的固态冰川；地下水保存在岩石和土壤中；大气水包括空气中的水蒸气、天上的云和到达地表以前的降水；生物水存在于动、植物体内。 生命的源泉 在人类生活的地球上，也许难以找到一种物质，会像水那样变幻多端，那样富有生气。它常使文人墨客为之倾倒，为之陶醉，他们常常用华丽的词藻，来颂吟大海的浩渺，江河的磅礴和湖水的绚丽。水又像一个不知疲倦的旅行家，不断地进行着长距离的旅行。它自海洋以蒸汽形式蒸发上升进入高空，又被风带到大陆，以雨雪形式飘飘洒洒地降落人间，形成径流或渗透到土壤中，化作清澈的泉水重新出现在地表，形成涓涓细流、小溪，最后形成气势磅礴的大河，汇入到浩渺无边的海洋。在海洋中似乎有一台巨大能量的水泵，把大量的冷水或热水从地球的一处带到另一处，这就是我们所说的海流。即使是山上的冰川以及北极群岛 （新地岛、斯匹次卑尔根、法兰士约瑟夫地、格陵兰）和南极，也有活动的水。由于冰具有塑性，在重力作用下逐渐沿山坡和河谷向下滑动，使冰川的末端下降到海中，漂浮、折断成为冰山，冰山被风和海流破碎，消融在海洋里。相互沟通的世界大洋，陆地表面的江河湖泽，以有埋藏于地壳表层的地下水等，像神秘的项链一样，构成了一个包围地球的若隐若现的变幻莫测的水圈。这个水圈的总水量约有13.8亿立方公里，它同大气圈、岩石圈、生物圈等，相互渗透，相互制约，形成了地球表层的圈层构造，这些圈层的相互作用，推动了地球的发展，也推动了水圈本身的变化。地球上的水，就像一架永不停歇的永动机一样，不知疲倦地循环、运转，一方面为人类提供丰富的资源，另一方面也为人类带来了无穷的忧患。自古以来，人类就在巧妙地利用地球上各种各样的水，并同各种各样的水患进行斗争。在同水的交往中，人类不断地探索它的奥秘，逐渐熟悉了水的世界，也了解到水对人类的贡献，认识到水是生命的摇篮，是生命的源泉。 人是怎么产生的？人比植物、动物产生早，还是晚？现代科学告诉我们，生命的起源是通过化学途径实现的。在地球形成的初期 （45亿年前左右），整个地球真可谓是“天地玄黄，宇宙洪荒”。地球表面没有大气和水，更谈不上有生物，内部也没有现在这种地壳、地幔和地核的分层，它是一个物质分布均匀的球体。 后来，在地球内部放射性元素衰变释放热能以及不同物质的重力分异作用下，一些比重大的物质如铁、镍等开始下沉，比重小的物质如硅、铝上升，逐渐形成了地球的内部分层。 于是，地球内部比重小的熔融物质在压力作用下不断向地表喷发。那时，地球表面火山遍地，岩浆横流，尘烟蔽日。一些生命必需的元素如碳、氢、氧、氮、硫、磷等的化合物，也包括大量的水蒸气随火山喷发而逸出地表飘向空中。水蒸气在空中遇冷又变成滂沱大雨从天而降，慢慢形成了最原始的江河湖海。从地下喷出的大量分散气体又开始在空中聚合组成最原始的大气圈，其成分主要是甲烷和氢，此时还没有氧气。 当时的地表景象同现在不同，到处是荒山秃岭和荒凉不毛之地。陆地上只有硬的石头，没有植物、动物，地表只有1/10是海洋。火山吐着火红的岩浆和翻卷的尘烟，海水似煮开锅一样地沸腾；暴雨冲刷着山丘，把大量的泥沙带到低凹的海洋和盆地；天空的闪电、大量的宇宙线、太阳的辐射能、陨星坠落的摩擦生热以及地球内部释放的热能，组成了变化莫测、丰富多彩的能量交响乐，形成了一个多能源的巨大反应炉，促使原始大气和地面上的物质进行分解和化合。这时大气除了甲烷和氢气外，还有二氧化碳、氨气和氮气等。 随着地球温度的逐渐下降，原来存在于岩石的结晶水由于温度升高被蒸发到空中，这时遇冷又凝结成雨，重新降落到地面，使地球上的水圈逐步扩大。同时，在地球生命的化学进化中，又逐渐生成了氨基酸、糖、有机碱（嘌呤、嘧啶）、核苷酸等低分子有机化合物，它们又溶解在水中，被河流带入海洋。而在海洋的中层，这些低分子有机物可以不受太阳辐射能 （包括紫外线）和宇宙各种射线及海底放射性喷出物的影响，经过漫长的积累，发生质的飞跃，终于形成了各种高分子有机化合物，像蛋白质、核酸、多糖、类脂等。蛋白质就是多种氨基酸脱水缩合的产物，核酸就是核苷酸聚合的产物。 蛋白质和核酸对于生命的出现起着决定性的作用，有了它，作为生命的一些活动才能进行。所以说，蛋白质和核酸是生命的基本单位，是生命产生的必要条件。 蛋白质、核酸、多糖、类脂等在原始海洋 （类似今天的大淡水湖），又通过蒸发、吸附、凝聚、冰冻等作用使它们浓缩形成一种更大分子量的多分子体系，多分子体系的出现是向有生命力的细胞进化的关键性的一步。多分子体系在海水和空气的作用下，形成一层最原始的膜 （界膜），使它和周围的海水隔开，成为一个独立的体系。通过界膜多分子体系从外部吸收它所需要补充的物质，并且排出废物。这种物质和能量交换过程就是最原始的新陈代谢。这种有界膜的体系，通过物质交换，获得能量，不仅使它能保存下来，而且能进一步自我繁殖，这就形成了最初的生命。尽管它还不具备细胞的结构，但它是生命进化史的质的飞跃。 这批原始生命就像婴儿未出生前存在于母亲的体内一样，也是处在厌氧状态下进行新陈代谢。后来由于大自然的雷击闪电和太阳紫外线的作用，在离海面20～25千米的高空形成臭氧层阻止了太阳紫外线对原始生命的威胁和破坏，给生命的进化创造了条件。 大约在35亿年前，经过漫长的演化，原始生命内部构造逐渐复杂化，并且产生细胞膜代替界膜，开始出现了原核细胞。原核细胞没有完整的细胞核、复杂的内膜系统、线粒体、质体和有丝分裂器，多数以单细胞生物形式存在。这标志着生命的化学进化已完全转变到生物学进化。原核细胞仍然在厌氧状态靠无氧呼吸获得能量和养料，又经过数亿年的进化，一些细胞产生了色素，如叶绿素，它可以利用太阳光进行光合作用，生成氧气。以后地球才出现了氧气，出现了好氧细胞和有氧呼吸。有氧呼吸产生的能量是无氧呼吸的几十倍，促使生物进一步的转化和积累。 大约在距今14亿～15亿年间产生了真核细胞，真核细胞的出现是生物进化史的又一里程碑。真核细胞的大发展，使我们的地球进入了一个生机勃勃、千变万化、丰富多彩的时期。今天世界上的生物，除细菌和低等藻类蓝藻外，其它比它们高等的植物、动物和人类都是由真核细胞组成。 这些原始的单细胞生物 （如眼虫藻、鞭毛生物），最初以异养、自养方式共存 （异养型生物是以摄取现成的有机物为生存手段，自养型生物能从环境中摄取简单的无机物如CO、HO等，并将其转化成复杂的有机物，如糖、 2 2蛋白质等）。随着外界环境中原始生物的不断增多，有机食物不断减少，加速了原始生物向自养、异养摄食方式的转化，逐渐形成植物和动物，最后发展为人类。 生命在水中诞生，在水中发展。正如19世纪最伟大的生物学家达尔文所指出的：生物的进化是由低级到高级，由简单到复杂，由水生到陆生的。地质历史时期，无论是动物还是植物，都是首先在海水中繁衍的。即使在它们进军陆地以后，也仍然离不开水。可以说，地球上凡是有水的地方，便有生命，生命和水结下不解之缘。水是生命的摇篮，是生命的起源。 水是一切细胞和生命组织的主要成分，是构成自然界一切生命的重要物质基础。我们知道，构成生物的基本单位是细胞，各种细胞都有相似的结构，它是由一种半透明的胶状物质所构成的，这种胶状物质是生命的物质基础，叫做原生质。原生质外面包着一层具有半透性的薄膜，叫做细胞膜，植物细胞的外围还有一层厚壁，叫细胞壁。在原生质中，有一个密度比原生质更大的圆球形的物质，我们称做细胞核，细胞核外面的部分叫细胞质。在细胞中，所含成分最多的是水分，它们形成液泡，它是生物体的重要组成部分。原生质的含水量通常在80％以上，水作为原生质的成分，其重要性不亚于组成原生质骨架的蛋白质和磷脂，原生质中的大分子 （蛋白质、核酸等）通过和水分子相结合形成一种独特的结构。使原生质成为胶体状态，生命所依存的原生质就以此为基础。如果含水量降至某一临界水平，就会引起原生质结构的改变，最终导致死亡。但少数植物和植物器官能脱水到气干状态而丧失其生活力，有些种子和孢子甚至能耐到烘干程度的脱水状态，但是它们的生活力随着组织的含水量的下降而显著减弱。组织的含水量随生物物种而异，人与动物、植物的含水量有很大差异。人和哺乳动物含水量一般为65～85％、鱼类70％、植物叶片为75～85％、水果为80～95％。即使是同一种植物，不同物种间的差异也很大，如水生植物（如浮萍、水浮莲、藕等）的含水量可达鲜重的98％；生长在岩石上的地衣含水量可低至6％；一般草木植物总体含水量为55％左右；木本植物则低于此值。同一植物不同器官和组织的含水量有很大差异。根尖、幼叶等生长活跃部分含水量较高，一般可达90％以上；草本茎的平均含水量约80～90％；木本茎约40～50％；树木休眠芽的含水量约为40％；成熟种子含水量较低，一般风干种子的含水量为10％左右，油料种子则更低。植物的含水量与所处环境条件有关，并表现明显的季节和昼夜变化。生长在荫蔽、潮湿处的植物，含水量常较向阳、干燥处的植物为高；春、秋季的含水量较冬季为高。用相对含水量 （植物组织含水量占该组织充分吸水膨胀时含水量的百分数）和水势能较正确地反映植物的水分状况，使用较广泛。生物在发育过程中，需要大量的营养元素，如钾、钠、镁、碘等，而水分是重要的来源，是细胞组织组成中数量最大的物质。人类需要的许多元素也可以从水中获得，对于人类来说，水分除了参与物质代谢、进行化学反应之外，由于其比热很大，还能起到运输和散热、失热、调节体温的作用。当小孩高烧39℃以上时，降温最快、最有效的方法不是吃药、打针，而是用凉水沾湿毛巾放在小孩的额头上或浑身用冷水擦洗。一个成年人在正常情况下，每天应补给的水量为每千克体重40毫升左右。当人体失去6％的水分时会出现口渴、尿少和发烧；失水10～20％将出现幻觉昏厥，甚至死亡。对人类来说，水比食物更为珍贵。不吃食物，人的生命可维持二十几天，如不喝水，不过几天人便死亡。所以说，水是一切细胞和生命组织的主要成分，是一切生命的重要物质基础，没有水就没有我们人类，就没有植物、动物，就没有生命，水是生命的摇篮。 人类的乳汁 人们在生活中的最重要的自然资源是水。 自人类出现于世界之日起，水一直是人们生活中不可分离的伙伴。 人的一生每天从早到晚都要与水打交道：用水做饭、制饮料、洗刷物品；雨天用伞避雨水之淋；夏日在海滨休憩游玩；冬天用暖气取暖，欣赏窗户的冰花、霜和阳光下的闪闪积雪。 没有一个工业部门不用水来煮熬、净化、溶解、浸泡、加热、冷却、洗涤和结晶等。没有水，人类不可能在石器时代制造出第一批陶器；没有水，也不可能有现代的运输业和宇宙飞船。 水参与了大多数重要化学产品—碱、硝酸、氧气、氢气、酒精等的生产。 水是最古老的能源，也是永恒的能源。 在古罗马，水推动了磨坊的水轮。水蒸气推动了18世纪最早的蒸汽机的活塞。在现代化的原子能发电站、热电站和水电站，水也在工作着。水在推动着历史的巨轮向前。 农业需要水，犹如工业需要煤、铁一样。由于人工灌溉，古代文明得以在尼罗河、底格里斯河、幼发拉底河、印度河和黄河流域繁荣，创造了人类引以自豪、不朽的文明。 让我们来详述一下水对我们人类的贡献。 （1）城市诞生的摇篮 水是农业的命脉、工业的血液，是地球上一切生物赖以生存而不可替代的重要物质条件，是生产力发展不可缺少的条件，也是人类居住地—城市形成、发展和生存的重要条件。 人类文明的发展、城市的兴建都与水有着千丝万缕、不可分割的联系。世界上几乎没有一个文明发源地不是傍依江河、湖泊，并依靠必要的可供水源而发展起来的。四大文明古国中国的黄河、埃及的尼罗河、印度的恒河、中东的底格里斯河和幼发拉底河，都以其丰富的乳汁孕育了人类早期的伟大文明。因此，可以说没有水，就没有人类的文明，就没有城市。反之，由于水源的枯竭，致使城市变成荒芜废墟的例子，在世界各地也不胜枚举。如我国新疆丝绸之路上的楼兰等。 （2）城市发展的动力 为了城市的发展，必须开发、利用和管理好水资源。“治水”与“用水”是城市发展中的必要条件。“治水”主要表现在城市的防洪和排涝方面；“用水”主要体现在“供水”、“漕运”、“灌溉”等方面。以北京为例，自金朝建都在蓟城800多年来，为了都城的建设、城市的用水、城市的美化和漕运的发展，历代都充分地开发利用都城附近的泉水，成功地建成了一个完善的供水排水河湖系统。 北京历史上有名的房涞涿灌渠工程、房陵堰和白浮引水等工程，曾使北京出现船货云集的盛况。解放后，由于开发了永定河、潮白河冲洪积扇丰富的地下水源；开发治理了永定河、潮白河，修建了官厅、密云两大水库，引水到北京，使工农业生产蓬勃发展，城市面貌大大改观。由此可见，水资源是城市发展的必要条件。 （3）城市发展的瓶颈 从世界范围来看，自从18世纪英国的工业化革命以来，工业迅速膨胀，人口向城市不断集中，城市规模越来越大。世界上千万人口以上的特大城市就有十多个，其中以墨西哥城最大，达到3500万人，给城市供排水带来了很大困难。在19世纪中期的1848年和1854年，英国由于河流受病原体的污染，造成两次霍乱流行，1892年德国霍乱流行，这几次都使一万多人死亡。本世纪中期，许多国家发生了水荒，特别是近几年，我国缺水的城市也越来越多。据1995年水利年鉴报道：目前，全国有300多座缺水城市，在调查的270座城市，占全国城市总数近 60％，占总人口 57％，工农业总产值全国城市的49％，如遇中等干旱年和特殊干旱年，分别缺水达35，8亿立方米和62.4亿立方米。当年这些城市缺水对社会经济发展和环境的影响如下： ①影响了城市人民生活正常用水，在特殊干旱年，270座城市生活缺水8亿立方米 （相当于每日220万吨），数字不很大，但对人民生活造成的困难却很严重，成为社会不安定的潜在因素之一。如1989年夏季用水高峰时，大连市供水低压区有3.5万户面临断水的危险，岭前一个居民区连续几天供不上水，一些居民破坏了市政供水措施。同年，哈尔滨有40万居民吃“夜来水”，太平区发生了居民与工厂争水的纠纷。 ②影响城市工业的生产和发展，270座城市特殊干旱年工业缺水达20亿立方米，影响工业产值1000亿元。 ③工农业争水矛盾加剧，一些城市因缺水而挤占农业用水，从而使农用灌溉受影响。北京农业用水90％以上已是机井水，运河水已基本不给两岸农民使用，每年只拨2000万立方米，在春季小麦只浇1—2次水，由于灌浆期缺水使小麦产量每亩减少100公斤以上。 ④使一些城市饮用水不符合卫生标准的现象加剧，从而危害人民的身体健康。如北京的双桥地区和房山石化地区，地下水严重污染超标，迫使目前房山县城不得不迁移至良乡。 ⑤大量超采地下水引起水环境恶化。据全国不完全统计，已形成地下区域漏斗56个，漏斗面积达87000平方公里，其中尤以城市最为严重，有的城市水位（如北京）已下降到200多米、漏斗面积达2000多平方公里，含水层几乎疏干；由于大量超采地下水，许多城市发生地面沉降，出现裂缝，不仅影响环境，而且损坏建筑物；沿海城市出现海水入浸和地下淡水咸化。据对辽、冀、鲁沿海城市调查，海水入侵面积达1433平方公里，有90万人，244万头牲畜饮水困难，每年减产粮食1.26亿千克，海水入侵面积仍在扩大。 据270座缺水城市预测，在充分考虑用水前提下，中等干旱年和特殊干旱年与现状条件下可供水相比，到2000年分别缺水310.8亿立方米和348.8亿立方米；到2010年分别缺水587.2亿立方米和625.1亿立方米。 （4）人类健康的卫士 有些天真活泼的孩子可能会问：为什么人可以几天不吃饭，但不能一天不喝水？为什么人体正常体温保持在 35℃～37℃？为什么缺水会造成尿中毒、耳鸣、眼瞎？……这一切的一切都说明水是人类生物生理组成和生存中不可缺少的重要物质。人体若没有血液，生命则无法维持，但血液不像我们肉眼看上去是红色，其主要成分是无色透明的水，水在人体中含量最多。年龄越小体内含水量则越多。在胚胎中水分约占98％，婴儿约占75％，成人约占50～65％。水一般随体内脂肪含量增多而下降。 ①水在人体内中的作用 在体内，水具有如下的重要作用： a.是保持每个细胞外型，以及构成每一种体液所必需的物质。 b.作为各种物质的载体，将养分运到细胞内并把废物带走。 c.调节体温，通过皮肤排汗蒸发使体温下降。 d.是消化和代谢过程中许多重要化学反应所必需的物质。 e.是湿润关节，构成骨液的成分；在脑脊髓液中，水作为神经系统的缓冲器；在耳的外淋巴中，传递声音；在眼睛中它参与视觉，滑润眼睛。 f.作为许多化学物质的溶剂。 g.呼吸时有助于气体交换，保侍肺泡湿润。 与这些作用有关的所有体液在体内主要分成两部分：细胞外液（约占体重的25％）和细胞内液（约占体重的45％）。 总体液的百分含量稍有不足或过剩对健康都不利。当失水量达 1％左右，产生口渴感；大量失水，约占体重的20％时，会导致死亡。正常情况下，口渴保证了水的饮用达到或超过人体需要。体内多余的水主要从尿中排出，其次是通过汗、粪便和肺中排出。 ②人体内水的平衡 一个人一天应该喝多少水？大人和小孩喝水一样吗？每天喝的水都干什么去了？人体水分平衡机理可以回答这些问题。一般说健康的个体，总体上保侍适当的含水量。增加或减少摄水量会出现排水量恰如其分的增加或减少，以维持平衡。水以液体和食物成分的形式进入机体，包括由食物分解过程中产生的代谢水。水从体内排出的方式为：皮肤出汗，肺呼出水蒸气，肾产生尿排出，大肠形成粪便排出。因此，在正常情况下，通过各种来源摄入的水与各条通道排出的水基本相等。例如，喝了大量的水，排尿量就增加；如果饮水量受到严格的限制，那么尿的产生量就明显减少。 正常的成人每天平均摄水量2～2.7升，假如活动轻微，没有可见的排汗，与经四条通道的排水量平均数相等。 为在较少限度内调节体液，机体具备了许多机制。这些机制中起重要作用的是大脑下丘脑的神经中枢，它通过肾脏控制口渴和排水的感觉。当失水量占体重 1％时，下丘脑的口渴中枢感到刺激，出现有意识的饮水愿望。如果不给水喝，不安感增强，这时心率增加，体温上升，工作和思维能力减退。当失水量占体重10％时，仍要参加体力劳动，肯定会出现中暑衰竭。下丘脑的其它神经中枢受到刺激会引起抗利尿素（ADH）从垂体后叶释放，ADH释放后，尿的形成减少，所以保留了体液。这样，形成的尿比摄入足量水排出的尿液，深而混浊。尽管保持水的平衡受到控制，但是，有几种因素会影响水的平衡和需要量。 ③人体水的需要量 为维持水的平衡，人体水的需要量受年龄、体力活动、温度、膳食、疾病和损伤的影响。一般认为，为满足人体对水的需要应随时供给充足、干净而又新鲜的水。影响人体水需要量的各种因素如下： 年龄：婴儿和儿童需要水按比例来看比成人高。成人每天水的正常流通率约占总体水的6％，而婴儿大约是15％。婴儿水的流通率如此之高是因为：A.由于其相对体重的表面积大，皮肤失水量也就大；B.肾脏浓缩尿的能力不如成人。 失水的众多因素妨碍了最小需水量总值的调整。一般情况下，适度的给水量是成人1毫升/千卡，婴儿1.5毫升/千卡。 体力活动：即使在一个舒适的环境下，体力活动通过排汗和肺增加水蒸气的排出使机体的水分丢失增强。虽然排汗丢失了相当量的钠，但是，水的损失明显超过钠的损失。因此，水的消耗是主要的问题。水损失量超过体重3％时，如果不补充失水，体力开始变差。如不顾这样的事实，后果将很严重。 温度：人体几乎无时无刻不在“出汗”。外界温度在30℃以下时，人体每小时每平方米皮肤上约有6～8克水分蒸发，一般在生理上叫不自觉出汗。当气温增加到30℃以上时，人体汗腺便开始分泌汗液，人们才明显感到出汗。 汗液中水分占99％以上，夏天成人每天出汗量大约1升左右，高温作业的工人每日出汗量约5～10升，在直射日光下劳动的农民每日出汗量大约3～6升。在出汗的同时，大量氯化钠 （盐的主要成分）随之排出。如果补给不足，就会导致严重脱水和体内电解质紊乱，出现中暑症状。另外由于氯化钠的排出，使血中氯离子减少。氯离子是胃酸的一种主要成分，由于它的减少可造成胃酸浓度降低，使胃肠蠕动减弱，消化功能不良，水和盐分的大量排出对肾脏和神经系统也有一定危害。所以在大量出汗时，除补水外还要补盐，以便维持体内的水和盐平衡。在高温作业或夏季出汗多的情况下，每天补水约8升左右，摄入盐量比正常人多一倍甚至更多。这样，即使在炎热的环境里做艰苦的劳动，出现严重的缺水症状，喝水后，体力恢复的速度会很快。这就是为什么炎热夏季，工厂要供应糖盐水、干体力活的人口味重的原因。 膳食：高蛋白膳食需要更多的水。尤其要注意婴儿高蛋白食谱对水的需要，因为婴儿肾脏的浓缩能力还没有发育好。 疾病：不断呕吐使水分大量丢失，长期腹泻也会引起水分过量损失，发烧通过排汗增加体内废物排出，加速了体内水的损失。发烧、呕吐、腹泻的病人要多喝水，食物要吃流食。 与此相反，某些情况下水的过多滞留会引起水肿。下面的疾病经常出现水肿，如充血性心力衰竭、肝硬变、肾炎和肾病变。所有这些病都使钠的排出减少，造成了水的滞留。 外伤：手术后需要足够的液体，因为出血、渗出液等可使大量液体丢失。 当失水得不到补偿时，患者会出现一系列的变化，可总结为下列几点（由轻至重）： A：当失水量达到体重的1％左右时，产生渴感； B：口渴伴随着隐约的不适，食欲减退； C：手臂、手有刺痛和麻木感； D：脉搏率、呼吸率和体温升高； E：虚弱、肌肉痉挛和精神混乱； F：血液浓度增加，血的体积减少，循环困难； G：皮肤开裂（如嘴唇干裂）； H：尿形成停止； I：脱水量超过最初体重20％时会死亡。 ④人体水的来源 补充机体所需要的水可以有三个来源：第一，饮水和其它饮料，第二，固体食物中的水，第三，脂肪、碳水化合物和蛋白质分解时产生的代谢水。 饮用水：地球表面近乎四分之三的地方被水覆盖。但是，只有约3％的水是“淡水”即适用的饮水。饮水有不同的来源。在古代，当天不下雨，没有泉水，小溪干枯时，就没有水供给。原始人生活在泉水、河流和湖泊附近，是因为他们只有最粗陋的容器用来装水和贮水。以后，人们发明了用人工手段得到水的方法。由于这一发明，不再需要生活在有天然水供给的近处。供应人工水的最初方法也许是井。《圣经》上两个著名的井是Jacob井和Joseph井。然后，模拟天然河流，人们引水流入水沟，随后发明了管道、坝、水库。古罗马的输水道还保留着，它表明了早期人工自来水的设备相当巨大。我们现在的自来水来源于地下井和水库。有些水要通过几里长的管道大量地送到最需要水的地方。 水由于成分或环境的变化，而不能起到其全部或部分作用的被认为是受污染的。因此，不管饮水的来源如何，最重要的是水没有能引起疾病的微生物和有毒化学品。世界上 75％的国家除加拿大、美国及欧洲大部分地区外，卫生条件很差，造成每年有1000万人死亡。许多疾病是由水引起的，如霍乱和伤寒。工业化国家由于环境中增加了许多新的化学品，正面临着水污染的问题。水中已发现有1700多种化合物，一些化学品通过工业和农业设施进入自来水，它们对人的健康造成直接或间接的危害，如那些急剧增多的讨厌的微生物所造成的水停滞而出现臭味，或水变色。在河流和小溪中，环境保护局一般监测以下指标：A.糟粕中的大肠杆菌，这是污水的标志；B.分解的氧气，微生物过度生长的指标；C.磷，能促进微生物过度生长。 世界上已有水被砷、镉、铜、汞、铅、硝酸盐污染的实例。世界卫生组织定出了安全范围。 下面我们谈谈水的种类： A.硬水。大人或孩子初次来到一新地区时，有时会发生腹泻，服消炎药也不见好转。这就是人们常说的“水土不服”。这种腹泻并非由细菌或病毒引起，而是由于饮用水的硬度变化造成的。长期饮用软水者突然饮用硬水时，更容易发生腹泻。 水的硬度是指水中的钙、镁、盐类含量的多少。当1升水中含有相当于10毫克的氧化钙时，硬度为1度。一般将硬度0～4度的水称为极软水；4～8度为软水；8～16度为中等硬水；16～30度为硬水；30度以上为极硬水。我国饮用水的硬度规定不得超过25度。 硬度过高的水不适于饮用。因为用硬水烹调豆类、肉类不易煮烂，且对胃肠道有刺激作用引起腹泻；经常烧硬水的壶底常有厚厚的一层水垢。用硬水洗涤衣物时，肥皂不起泡沫；用它洗澡时，对皮肤有刺激作用。 加热煮沸和加石灰苏打法可使硬水软化，如发现“水土不服”的腹泻，不用服药，一般一星期以后症状就可好转。 B.软水。让硬水经过一个变化过程—离子交换反应，钙和镁被钠替换，这就是软化。有些水是天然的软水，但软水地区的人患心脏病的死亡率比硬水地区高。主要原因就是这些地区的软水中镁离子的含量太少，大约只是硬水中镁离子含量的1/4。 正常人体约含镁35克，占体重的0.05％。镁是构成骨骼、牙齿的主要成分，并与神经的调节和肌肉的活动、体内酸碱平衡、多种酶的活动有密切关系。软水地区的人因长期饮用含镁量不足的水，容易发生体内镁离子缺乏，引起蛋白质合成障碍和神经功能失常，出现震颤，共济失调，血管硬化和心肌损伤等病症。据对心肌梗塞死亡病例分析，有40％的死者心肌中镁的含量降低。有些医生用镁制剂防治某些心脏病取得了满意的效果，说明镁对心脏有保护作用。 软水地区的人，应多吃一些含镁量较高的食品，如豆类、绿叶蔬菜、粗粮及一些干果，使镁的摄取量达到每天200～300毫克即可。 C.脱矿质水或无离子水。使水通过两个离子交换树脂，所有的矿物盐（阴离子和阳离子）均可被除去，这就是无离子水，使水达到最纯度。通常，科学研究中使用无离子水以防止精密分析时干扰物质介入。 D.蒸馏水。这种水是把水转变成蒸气并在一个清洁的收集系统中使蒸气冷却而获得的。这样做使水中溶解的矿物质留下，因此，蒸馏水中只含有贮存容器中存在的物质。有时在蒸馏水中加入标准量的矿物质，就可作为饮用水出售。 E.矿泉水。是一些具有特殊成分的天然泉水。矿泉水中含少量的氯化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、钙盐、镁盐，有时还含铁和硫化氢。这些水大多数充上二氧化碳后可作为饮用水出售。 F.苏打水。水中充上二氧化碳使它起泡，并发出嘶嘶声，叫苏打水。 G.加氯水。饮用水的加氯作用是本世纪主要的卫生发展成果之一。公用水净化时，先把氯加进水中杀死细菌和有害的有机物。在净化的最后阶段，要检验水中氯的适当水平，在分配系统中监测水，防止污染。处理时，净化过程初期加的氯可能被耗净，因此，需要再加入一些氯。 H.氟化水。一些地区的饮水中要加微量的氟化物，水中加氟可减少龋齿的发生。有些来源的水本身就含氟化物，但有些水含氟量很高以致引起氟中毒。轻者发生斑釉病，儿童牙齿钙化障碍，疏松多孔，吸收食物中的有色物质使牙面出现黄色斑点，粗糙变脆，容易折碎和过早脱落。成年人可发生腰腿病，关节僵硬变形，运动障碍，四肢弯曲，严重者甚至可发生截瘫。 I.海水。海水是不能喝的。海水中盐的浓度比体液高很多，人的肾脏不能处理过量的氯化钠。根据二次世界大战期间，乘船遇难的人的记录表明，饮大量的海水常会致命。但是，陆地上淡水的供应却依靠太阳光不断地蒸发大海。 日常生活中，大量饮料给我们提供了每天所需要的水分，例如咖啡、茶、软饮料、酒精饮料等。但是，饮水能满足渴感，而不提供热量。 食物水：许多固体食物含大量的水分，为我们提供了水。即使那种“干”食品，如饼干、快餐谷物、坚果也能提供一些水分，而某些水果和蔬菜可含90％以上的水。 代谢水：代谢水是由养分的分解代谢所产生的。100克碳水化合物氧化产生60克水，100克蛋白质氧化产生42克水。脂肪被认为“比水更湿”，100克脂肪氧化产生110克水。 人的典型膳食中平均每100千卡代谢能形成13克代谢水。 ⑤人体饮用水的水质标准 （5）人类衣食住行的靠山 水对于城市居民来说是再熟悉、再平常不过的东西。水龙头一开，水就哗哗地永无止尽地流淌。人们常说：锅碗瓢勺，柴米油盐酱醋糖是居民不可缺少的东西，而忘记了水。这也许是由于水见多不怪的原因吧。而柴米油盐酱醋糖这些只是做饭的基本原料，它们必须以水为媒介，把这些东西有机地串联起来，才能做成一顿可口的饭菜。人们可曾想过：做饭时如果没有水，那么怎么做饭呢？菜无法洗，米无法蒸，不能总是吃罐头吧。 1994年淮河的居民经历了使他们终生难忘的几十天，自来水管流出的是混浊的污水，人喝了以后呕吐，住院。人们不得不靠买矿泉水维持，矿泉水价格直线上升，真是水比油贵。 水除了用于居民生活之外，发展工业更是离不开水。冶金、电力、化工、煤炭、交通、造纸、纺织、酿酒、食品等行业，冷却、空调、洗涤等过程，以及某些产品本身（饮料、人造冰、添加剂等）都需要大量的水。如火力发电厂1万度电需耗水100立方米以上；化纤厂制造1吨尼龙丝耗水600立方米；印染厂染1万米布耗水300立方米；造纸厂制1吨纸浆耗水300立方米；酒精厂造1吨酒精需水100立方米。工业用水量因设备、生产工艺、自动化水平等变化而差别很大，一般常以综合指标1万元产值用水量来说明，我国万元产值用水量平均为500立方米左右，个别较好地区在200～300立方米，北京1993年万元工业产值用水量只有74立方米达国内先进水平。随着工业设备的改造，生产条件的改善，工业用水量的重复利用率将会有所提高，万元产值用水量将会更少。 城市、乡镇企业的建立和发展，都受到水的制约。由于公共事业的发展，水不仅是满足城乡人民生活的需要，还要为医疗卫生、建筑业、美化环境（如绿化公园，喷洒街道等）、旅游业、服务业 （如宾馆、饭店用水等）提供充足的水源。随着生活水平的提高，用水部门、用水种类不断增加，总用水量将会大量增加，而这些用水量需要优先保证。 从以上分析可以看出，水与人类密切相关，我们要充分认识水的重要性，极其慎重地对待水的问题。要像爱护我们的眼睛一样，珍惜水资源，节约每一滴水，防止出现水比油贵的情况。 蓝色的海洋 由于太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋彼此相通，所以，可以说在地球这个星球上只有一个很大的大洋，欧亚大陆、美洲大陆、非洲大陆以及南极洲和大洋洲等，都可以看作是这个大洋的岛屿。 这个大洋的总面积是3.6亿平方千米，占地表总面积的70％以上；它的容积，按平均深度3700米计算，约为13.4亿立方千米。海水是咸的，人类的食盐大部分就来源于海洋。 海洋是地球上淡水供应的源泉。每年约有33万立方千米的海水被蒸发，然后又凝结成雨或雪而降落下来。这样，一部分降落在大陆上的淡水就被积存下来，约有82万立方千米的淡水积存在大陆的地表下面，还有约12万立方千米的淡水积存在江、河、湖、沼之中。 海洋不仅在水循环，而且在传输热量、缓和气候变化方面也起着关键的作用。 太阳能进入地球后，大部分先被地表吸收。被吸收的热量的多少，与纬度有关，热带吸收的多，寒带吸收的少。 那么是不是热带的温度要逐渐升高，寒带的温度要逐渐降低呢？实际情况并不是这样的。 在这方面，海洋发挥了巨大的作用，它通过海水的流动将热量从热带输送到寒带，保持了地球能量的平衡。海洋输送的热量很大，比全人类一年内耗用的能量还多几百倍。 海水和大气的大规模的流动，使热带变凉、寒带变暖，同时使热量在南、北半球之间传输，减小两个半球气温的差别，调节了气温。因而人们能很好地生活在地球上。 海洋就这样，100年、1000年、1万年，长年累月地进行着这种调节工作。地球异常热的时候，将热量储藏起来；在地球异常冷的时候，向大气放出热量，抑制气候的恶化。 海洋对于生命具有特别重要的意义。地球上的生命起源于海洋，没有海洋，生命就不能形成。从绝对数量来看，地球上的生物绝大部分生活在海洋中。在陆地上，生物只局限在地表上下几米的范围内；可是在海洋中，生物几乎是占据着每一个角落，它们的活动范围有时深达11千米以上。 海洋的生物资源大部分集中在近海的一条相对狭长的地带，主要由大陆架、沿海边缘地带的河口区组成。这里有适合绝大多数海生动物、植物生活的环境，例如红树林、盐沼、泥滩、海草和海藻，以及珊瑚礁等。因此这里是最主要的海产品基地，为人类提供了80％以上的海产品。 浩瀚的大海，还蕴藏巨大的能源。如潮汐能、波浪能、海流能等，它们可以循环不息地为人类造福。另外，海底也储藏着丰富的石油、天然气等矿产资源，是人类一个巨大的资源宝库。 1914年，第一次世界大战期间，德国人为了袭击欧洲沿海国家的舰只，在各国沿海设置了不少水雷。布雷以后，他们竖起耳朵，静候着水雷爆炸的喜讯。可是说也奇怪，德国人布置的水雷一颗也没爆炸，那些沿海国家的船只照样进进出出，仿佛有人给他们设置了路标似的，躲过了水雷的，完全通行无阻。 不久，德国人盼望已久的消息终于来了，水雷爆炸了。不过爆炸的水雷并不是在欧洲沿海国家，而是在接近北冰洋的俄国领地新地岛附近。许多国家搞不清楚德国人在这靠近北冰洋的偏僻地区设置水雷的用意。德国军事当局自然心中有数，可他们有苦说不出。这些水雷怎么不在原地呆着，竟自作主张地走了几千千米的海路呢？ 原来海洋并非静止不动的，一部分海水经常朝着一定的方向流动，就像奔腾不息的河流。它的规模有大有小，一般情况下长达几千千米，比长江、黄河还要长。宽度就更令人吃惊了，把长江最宽的地方放大几十倍甚至上百倍，才可与它相比。人们把这“海洋中的河流”称为洋流或海流。洋流有冷暖之分，一般把从低纬流向高纬的、比周围水体温度高的洋流称为暖流；把从高纬流向低纬的、比周围水体温度低的洋流称为冷流。 大西洋里的墨西哥湾暖流是世界上规模最大的洋流。它比陆地上任何河流都大得多，它每秒钟输送的水量比长江多1000多倍。它的起点宽度为80千米，深度约800米，并以每小时6.4千米的速度奔腾向前。它的致暖作用甚至能影响到北冰洋一带。 黑潮，又称台湾暖流，是北太平洋一支强大的暖流。对包括我国在内的东北亚环境和渔业生产有很大影响。 俗话说“水往低处流”，这是说河流在重力的驱动下，由高处往低处流。然而，海面几乎是一个平面，那么是什么力驱动洋流运动的呢？引起海水运动的力有两种： 一种是机械力。这是大气层通过摩擦作用施给海洋的一种推动力，尤以空气大规模运动产生的定向风对海水运动影响最大。 东南信风和东北信风是两股稳定而强劲的风，总是一个劲儿地朝着一个方向刮着。天天如此，月月如此，年年如此。信风劲吹，推波助澜，不但在海面上掀起大大小小的波浪，还把水面的水推动着向一定方向流去。定向风吹的时间越长，流动的海水深度就越深，渐渐地、渐渐地，海洋中就形成了朝着一定方向流动的海中之河——洋流。这种海流称为“风海流”。 另一种是物理化学力。由于咸水比淡水重，冷水比热水重，因此，海水的密度差或温差也会产生洋流，成为深层海水运动的驱动力。 温度低的海水比温度高的海水密度大，盐度大的海水就要比盐度小的海水密度大。所以温度低、盐度大的海水，就不断地下降，而且沿着海洋的底层向温度高、盐度小的海水下面流动；温度高、盐度小的海水，也不断地上升，沿着海洋的表层向温度低、盐度大的海水上面流去，这样就形成了广大范围内的海水运动。这种海流，人们起名为“密度流”。 在两极地区，海面的水很冷，因此它会往下沉。这股不断下沉的水流会沿着整个洋底向热带扩散开来，所以即使在热带，海底的水也是很冷的。深处的冷水最后也因为无处可以容纳而涌向海面。在升到海面以后，它们又会变热并漂向北极区或南极区，并在那里再一次下沉，形成垂直环流。 表层水向深层潜入的现象主要发生在格陵兰南部海域，其次是发生在南极北部。这两处是海水总体循环的必经之路。海水循环之所以极其缓慢，这是原因之一。 由于受海陆地形、地转偏向力的影响，海洋里的洋流就像大气圈的大气环流一样，会形成大洋环流，就整个海洋而言，海水混合时间要数千年，这个时间是很长的。而表层海水混合的时间要短得多，大约是50年。 广阔的水源 很早以前，地球表面既没有水柔浪细，也没有浩瀚无垠的海洋。由于地表温度很高，所以没有液态水，水全部以蒸汽的形式存在于大气层中。 水从何处来呢？有的科学家认为，在地球形成、演化过程中，随着地表不断散热，大气中水蒸气先浓缩成密度很大的蒸汽云，而后由于地球冷却，水汽凝结成水，便下了一场空前绝后的倾盆大雨。于是，地球上有了水，有了江河，也有了海洋。 地球上的水是非常丰富的，全球的水量约为14亿立方千米，其中海洋占了地球全部水量的97％，它们是水圈的主体，其余的3％则为陆地上的淡水。海水每升含盐35克左右，既不能直接饮用，又不能灌溉农田。 陆地上的淡水，绝大部分以冰的形式分布在南北极及人迹罕至的高山地区，还有的深埋在地下，人类无法或很难利用，这部分水占全球水储量的2.7％左右。只有存在于大气和河流、湖泊中，以及浅层地下的淡水，才能够被人类直接利用，这就是平常所说的水资源，约占全球水储量的0.3％左右。这些水在世界上分布很不均匀，加上人口激增和工农业生产需水量增大，许多地区缺水现象十分严重。 尽管现在在发展废水脱盐、净化和回收利用技术方面取得了很大的成就，但淡水的消费量却与日俱增。自20世纪初以来，全世界淡水的消耗量已增长7倍多，现在每年大约消耗3000立方千米，在今后20～30年内，保守地估计，耗水量至少还要增长50％。 虽然水是可以循环和再生的自然资源，但它并不是取之不尽、用之不竭的。随着人口的增加、环境污染的日趋严重、水质的恶化，全球性的水资源危机愈来愈来严重。 水是一种无色、无味的液体。它的分子式是HO，表示1个水分子中有2 2个氢原子和1个氧原子。 人们日常生活中所接触的液体，一般不是水就是水的溶液。因为除去油类之外，各种各样的饮料、调料，甚至汗水、血液都是水溶液，所以水是一种很不平常的物质。水能溶解许多东西，它有时也会把有害物质溶解并加以传播，造成污染。 液态水的最大密度是1（4℃时），而固态冰比水轻，所以漂浮在水面上。如果没有这一性质，那么水体在冬季时便会一冻到底，这对于水中的一切生物将是一场灾难。漂移在海洋里的冰山会撞沉过往的船只，造成海难事故；顺河而下的浮冰可以阻塞河道，造成河水泛滥。 在一个大气压下，水的冰点是0℃，沸点是100℃。在地表普通的热力条件下，水以三态 （气态、液态、固态）并存，这些都是水的奇特之处。 水还具有惊人的热学性质。水的热容量，即水温升高 （或降低）所吸收 （或释放）的热量，在所有天然化合物中属最高之列。因此，水既难变热，又不易变冷，这在一定程度上调节了大气的温度。当夏天烈日炎炎时，水体吸收热量，从而使大气温度不会升太高；当冬季冰冻三尺之时，水体又会放出大量的热量，从而使气温不会降得太低。常到海边的人们就会体验到，夏天海边比内陆地区凉爽，冬天比内陆地区温暖；生活在湖泊、水库周围的人们同样会感到夏凉冬暖。这就是水的吸热和放热作用。 水的蒸发也需要巨大的热量，蒸发每克水需要消耗2257焦耳热量（水的气化热）。也就是说，当水在变为水蒸气时，热量潜入水蒸气中；而当水蒸气冷却、凝结成水时，水蒸气把气化热又释放出来，这就是为什么下雨前天气闷热的原因。蒸发——降水循环过程就是这样将海洋的热量带向陆地的，这种热传递现象对全球具有极大影响。 几种假说 1.来自星云物质 传统的观念认为，地球上的水是地球形成时从星云物质中带来的。 在当今流行的太阳系形成假说—星云说中，认为星云物质是由三大类物质组成的。一类是气物质，包括氢和氦，它们占有星云物质总量的 98.2％；另一类是冰物质，包括水冰、氨、甲烷等由氧、碳、氮和氢组成的化合物，其含量约占 1.4％；第三类是土物质，主要包括铁、硅、镁、硫等重元素与氧的化合物，是一些在温度高达1000摄氏度左右时也是固态的物质。由于受到中心天体—太阳的热力和引力的影响，这三类物质在组合成行星时，将因距太阳远近的不同而有不同的比例。一般来说，距太阳较近时，太阳的热力把气物质和冰物质都驱散，便形成以土物质为主要组成的行星。水星、金星、地球和火星即属于此类。距太阳稍远，太阳的热力已不足以赶走气物质和冰物质，因此便形成了与星云物质具有相似组成比例的木星和土星。距太阳更远时，不仅热力不足以驱走冰物质，而且由于太阳的引力也已大大削弱，不能牢牢地抓住易于逃逸的气物质，所以便形成了以冰物质为主要成分的天王星、海王星等天体。 传统理论认为，地球虽然主要由土物质组成，但仍有一小部分冰物质也参加到地球的组成中来，这便是地球水的来源。这一理论认为，这些参与地球组成的水，是通过地球的演化不断从地球深部释放出来的。其证据是，在火山活动区和火山喷发时，都会有大量的气体出现，其中占绝大比例的是水汽。 但是，随着人们对火山现象研究的深入，发现与火山活动有关的水，并不是什么从深部释放出来的“新生水”，而是地球现有水体循环的一部分。如1966年，克莱因对世界各火山活动区与火山有关的热水所作的氘分析，证明它们与当地的地面水具有相同的同位素比，从而确认它们是渗入地下的地面水，在火山热力的作用下重新上升的产物。稍后，其他研究者对某些地区火山热力所作的氘分析，又发现有的含氘高达91T.E.以上。高含量的氘是人工核爆炸的结果，这就更进一步说明有些火山热水，只不过是新近渗入地下的雨水。 鉴于以上这些研究成果，一些主张地球水来自“娘胎”的研究者就不得不改变初衷，认为现有的地球水是地球演化的早期就从深部分离释放出来。目前这一释水过程早已结束，所以即使在火山活动区，我们也很难找到新释放出来的“新生水”，而只能看到现有水体的反复循环。 太阳风带来的 在地球水来自星云说的支持者们修改他们的理论同时，也有一些研究者把眼光转向了宇宙空间。他们认为，地球上的水是或主要是地球形成以后，从宇宙空间不断添加进来的。 1961年，托维利率先提出，地球水是太阳风的杰作。太阳风是太阳外层大气向外逸散出来的粒子流，在地球轨道附近，太阳风的平均速度达每秒450公里左右，每立方厘米有几个粒子。粒子的主要组成是电子和氢原子核—质子。托维利据计算指出，从地球形成至今，地球已从太阳风中吸收氢的总量 22 24达1.70×10克。如果把这些氢全部与地球上的氧结合，即可产生1.53×10 24克的水。这个数字与现有地球水体的总量145亿亿吨 （1.45×10克）是十分接近的。更重要的是，他指出，地球水中的氢与氘含量之比为6700∶1，这与太阳表面的氢氘比也是十分接近的。因此他认为这应是地球的3倍有余。即使扣除了地球历年散失掉的水分，和部分水在风化作用过水来自太阳风的最有力证据。 但是，反对者指出，水虽有可能来自太空，却也在不断向太空散逸。这是因为大气中的水蒸气分子会在阳光的紫外线下发生分解，变为氢原子与氧原子，氢原子由于很轻极易摆脱地球引力的束缚，飞向行星际空间。据计算，其逃逸量与进入地球的量大致相等。因此他们认为，如果没有来自地球本身的水，不足以使地球维持现有的水量。 来自太空冰球之说 很早以前，就有人注意到，地球上不时有来自太空的冰陨石的加入。但每年登陆的冰陨石究竟有多少？它们对地球水体的形成有何作用，却缺乏足够的估计。许多人认为其数量是无足轻重的。 美国衣阿华大学弗兰克等在研究1981年～1986年以来，从人造卫星发回的数千张地球大气紫外辐射图像时，发现在圆盘形的地球图像上总有一些小黑斑。每个小黑斑大约存在二三分钟。这些小黑斑是怎么回事？经过多次分析和否定了其他一些可能以后，他们认为这些黑斑是由一些看不见的冰块组成的小慧星，撞入地球外层大气后破裂、融化成水蒸气造成的。他们还估计，每分钟大约有20颗平均直径为10米的这种冰球坠入地球。若每颗可融化成水100吨，则每年即可使地球增加10亿吨水。地球形成至今已有46亿年的历史，则地球总共可从这种冰球获得460亿亿吨水，是现在地球水体总量程中为地面矿物和岩石所吸收，以及参与生物机体组成的水，仍是足足有余。 起初，弗兰克的这一假说并没有引起人们的多大注意，甚至有的人嗤之以鼻，不屑一顾。但是最近在美国召开的地球物理学会上，来自美国加州和加拿大的两份报告大大加强了这一假说的地位。加利福尼亚喷气推进实验室的克莱因·耶茨，使用了一种高倍数的空间探索望远镜在空中搜索这种冰球，并发明了可以利用这种望远镜进行追踪的装置，结果，他捕捉到了冰球向地球急速飞来的景象，据说，其速度大约每小时3500公里，并在距地1600公里的高空开始破碎。另外，加拿大科学家在研究了一艘飞船所拍摄的资料以后，也发现有弗兰克所指出的小黑斑。 综上所述，当今人们对地球水的来源存在着不同的认识，究竟孰是孰非，显然还有待于人们收集更多的客观证据。 来自彗星 水与人们的生活和生产紧密相联。可是，你可曾想过：地球上的水来自哪儿？ 到目前为上，大多数科学家一直认为，地球上的全部水在地球形成之日就先以蒸汽的形式存在于炽热的地心中，然后，在地球最初5亿年的燃烧过程中，水蒸气从火山口爆发出来，冷却而形成河流、湖泊和海洋。他们还认为，地球上的水在缓慢地蒸发，穿越大气层并散逸到太空去。 可是前不久，美国衣阿华大学一个以天体物理学家弗兰克为首的著名的研究小组，向这一传统理论提出了尖锐的挑战，发表了地球上的水可能来自彗星的新假说。他们认为，地球上的水不是来自地心，而是来自太空，是从地球形成之日起才慢慢地注入地球上来的，且其总体积亦在缓慢地增加。人类现在是、过去也一直是喝着源头在地球之外的水，并在这样的水中捕鱼、游泳，用这样的水洗衣、煮饭。 弗兰克等人发现，在太阳系中存在着一个由冰雪球组成的彗星海。彗星海中每一颗彗星的体积并不比一间住房大多少，犹如沧海一粟。因而在太阳系这个大家族中一点也不引人注目。但它们的数量却多得惊人。自45亿年前地球诞生以来，它们就在地球引力的作用下，以20马赫的速度和每分钟大约20颗，即每小时1200颗、每天28800颗的数量，成群结队地向地球冲来，日复一日，从未间断。当它们到达距地面1400公里～2400公里的高度时，引力作用、太阳辐射和大气摩擦的撞击力结合在一起，把它们击得粉碎，变为细小的冰微粒消散到稀薄的大气流中去，最终以雨或雪的形式降落到地面，使地球的宽度每年约增加四千分之一厘米。这使地球在经历过地质年代之后，就足以形成我们今天所知的河流、湖泊和海洋。 如果弗兰克的假说是正确的话 ，将能够用来解释大量的地球物理学之谜。例如，当更多的彗星来到地球，形成足够厚的球状冰云覆盖地球、遮挡阳光时，恐怕就出现了冰河时期。由于该覆盖层引起了剧烈的气候变化，从而导致我们所知的整个生物种包括恐龙的大量灭绝。又如，当复杂的有机物分子被包在冰雪覆盖着的彗星内部时，完全能够安全地穿越大气层而降落到地面上，从而可能为地球上的生命来自宇宙空间这一长期设想提供新的凭证。某些外空生物学家的研究发现，在彗星水中隐匿着某些特别复杂的分子，这可能用来解释从黑死病到爱滋病的突然暴发。 彗星海不仅向地球输送了大量的水，而且可能曾向木星和天王星某些表层至今仍然是冰的卫星输送过水。火星两极的白色冰帽可能就是彗星冰，而神秘的火星运河则可能是在火星的青春期被流动的彗星水冲刷出来的。同样，土星光环之间的辐射带，很可能是彗星飞快地从一个光环冲向下一个光环时扬起的尘埃造成的。 正如弗兰克本人所说的，如果这一假说是正确的，则十几个领域整整一代的科学家们都是根据恰恰并不正确的地球物理学的假设从事工作的。教科书将不得不重新改写，现代地质学、地球物理学等十多门学科中的现有理论将要受到检验。因此，这一假说的影响无疑是深远的。 黑色斑点 弗兰克是位一丝不苟的研究学者。关于地球上的水来自彗星的新假说的提出，凝聚了他与他的同事们五年多的心血。1981年，弗兰克与克拉文一起为“动力学探测者—I号”卫星研制了一套光学系统，装上了两台可见光摄像机和一台紫外摄像机，用来拍摄大气和大气层中电活动现象的照片。由卫星传送回来的照片十分壮观，不久就出现在杂志和教科书上，弗兰克也被邀请到世界各地去播放他的幻灯片。 但是，奇怪的现象也同时出现了。当用紫外摄像机拍照并用计算机着色后，地球受到太阳照射的那一面上空的大气本应形成均匀一致的、明亮的桔黄色。与此相反，科学家们一眼就看到了桔黄色的地轴上布满了很多黑色的小斑点，每个黑色斑点突然出现，停留了几分钟，然后又消失。这些黑色斑点是什么？开始时，可能是由于弗兰克正集中精力研究极光、等离子体等而无暇顾及。这一现象并未引起他的重视，只是想当然地认为，它们是由某种电子干扰造成的，并以此来回答其他科学家们提出的疑问。直到1982年底，他的学生利用计算机对卫星照片进行信息处理时，发现计算机“读出”的照片上黑色斑点数据时而运行时而停止的反常现象。这才引起了弗兰克的注意，促使他去揭开黑色斑点之谜。 但那时弗兰克仍然认为这些黑斑是由于卫星在传送照片的过程中，很偶然地受到来自其他卫星、闪电或地面无线电波发射台的干扰而形成的。为了证实这一点，他收集了过去十年间陨星进入大气层的雷达记录，把陨星残骸的运动与黑色斑点的运动进行对比分析。出乎他的意料之外，黑色斑点的运动方式与陨星残骸的运动方式完全一致。这无疑向他表明，同陨星一样，黑色斑点是某种客观存在的物体，而不是电子干扰造成的。因为，若是后者的话，黑斑的运动方式应该完全是随机的，没有任何规律可循。 为了证实黑斑确实是客观存在的物体，1985年，弗兰克又进一步做了如下试验：把紫外摄象机镜头对着大气层外缘的氢气进行拍摄，发现氢气云恰似“早晨的浓雾”。当他们把镜头的焦点调到氢气云的里面时，他们既惊讶又高兴地看到了“几十个黑色的大圆盘”从大气层外起飞，然后落入大气层之中，朝着地面迎面飞来。这些圆盘开始时很小，但随着时间的推移，变得越来越大，越来越黑。这一观测结果，不容置疑地向他们表明：黑色斑点的确是客观存在的某种物体。弗兰克还估算出，这种物体的直径大约在48公里左右。 那么，它们究竟是什么物体呢？弗兰克等人提出了各种各样的假设，又很快——放弃了。例如，他们曾设想，可能是陨星碰撞大气，使低空的分子氧受热，形成巨大的气体云而上升。但弗兰克计算出，要产生体积如此之大的气体云，陨星的直径应在100公里左右，因而在穿越大气层过程中不可能完全被烧毁，而要落到地面上来。倘若每分钟有20颗陨石落在地球上，人类就不得不生活在洞穴里。这显然一点也不符合现实情况。 最后，弗兰克研究小组对大气中所有数量充足的分子一一进行了分析。他们发现，只有水分子才能吸收频带足够宽的波长而呈现黑色。这使他们确信，照片上的黑色斑点是由于高层大气中存在着由大量的水分子聚集而形成的气体云造成的。那么，如此之多的水分子是从哪儿来的呢？正是从那时起，他们才把目光转向彗星，即银河系中往返运动着的冰雪球。他们计算出，冰球的直径必须为9米～12米，并要覆盖有足够厚的松软的雪，才能在大气外层形成48公里宽的气体云。于是，照片上的黑色斑点的出现和消失就得到了圆满的解释：当彗星进入大气层，在大气摩擦、太阳辐射和地球引力的作用下被粉碎而形成云时，就出现黑斑；当云以水蒸气形式消散到大气下层时，黑斑也就消失。 黑色斑点之谜终于被揭开了。 水循环 地球上的水，是在不停地运动着的。它无处不在，通过蒸发、冷凝、降水等连续不断地循环。水的循环过程具体可以分为以下三个步骤： 第一步是蒸发和蒸腾的水分子进入大气。 吸收太阳辐射热后，水分子从海洋、河流、湖泊、潮湿土壤和其他潮湿表面蒸发到大气中去；生长在地表的植物，通过茎叶的蒸发将水扩散到大气中，植物的这种蒸发作用通常又称为蒸腾。据估计，在一个生长季中0.4公顷的谷物几乎就可以蒸腾200万升的水，等于同等面积内43厘米深的水层。通过蒸发和蒸腾的水，水质都得到了纯化，是清洁水。 第二步是以降水形式返回大地。 水分子进入大气后，变为水汽随气流运动，在适当条件下，遇冷凝结形成降水，以雨或雪的形式降落到地面。降水不但给地球带来淡水，养育了千千万万的生命，同时，还能净化空气，把一些天然的和人为的污物从大气中洗去。 降水是陆地水资源的根本来源。我国多年来平均年降水量为632毫米，而全球陆地平均年降水量是834毫米。 第三步是重新返回蒸发点。 当降水到达地面时，一部分渗入地下，补给地下水；一部分从地表流掉，补给河流。地表的流水，即径流可以带走泥粒，导致侵蚀；也可以带走细菌、灰尘和化肥、农药等，因而径流常常是被污染的。最后千流归大海，水又回到海洋以及河流、湖泊等蒸发点。这就是地球上的水循环。 推动这种循环的永恒动力是太阳辐射。进入到地球上的太阳能约有23％消耗于海洋表面和陆地表面的蒸发上，当水汽凝结时，这些能量又重新释放出来。就全年平均情况来看，大约从北纬40度到南纬30度是一个广大的辐射过剩区域，而极地周围的高纬度地区是辐射亏损区。海陆之间，在不同的季节有着不同的亏损和盈余。只有把热量从盈余的地区向亏损的地区输送，才能达到全球的能量平衡。而水分循环是这种能量输送的主要途径之一。水在海洋中能够形成洋流，水又能够以气液相变的形式来大量地储存和输送能量。这种能量输送保持了全球的能量平衡，使得辐射的亏损区不至于太冷，辐射过剩区不至于太热，为生物提供了一种适宜的生活环境。 有时水循环会出现一些较特殊的情况。在高纬度和高海拔区，自大气层降下的不是水而是雪。落在极地区或山地的雪积久可成冰，水因此得到保存，算是退出循环，退出时间一般为几十年、几百年或几千年。因此，冰雪的固结与消融，影响着参与水循环的水的总量，进而影响全球海面变化。 南极冰盖和格陵兰冰盖是世界上最大的冰库。如果全部融化，海洋的水位就会上升大约60米，这意味着各大洲的沿海地区、包括许多世界级大城市都将被淹没，海平面将达到纽约曼哈顿摩天大楼的20层楼那么高。 水分循环的过程是非常复杂的。除了这种海陆之间的水分循环外，海洋有自己的洋流等水圈内部的水循环；大气圈里有随着大气环流进行的大气内部水循环；大气圈与陆地之间，大气圈与洋面之间，有着水汽形成降水，降落的水分又被蒸发的直接循环；岩石圈上存在着地表水与地下水之间的转换与循环；生物体内也有着生物水的循环等。 水分循环把地球上所有的水，无论是大气、海洋、地表还是生物圈中的水，都纳入了一个综合的自然系统中，水圈内所有的水都参与水的循环。像人体中，从饮水到水排出体外只要几个小时；大气中的水，从蒸发进入大气，到形成降水离开大气，平均来说，完成一次循环要8～10天；世界大洋中的水，如果都要蒸发进入大气，完成一次水分循环的过程，需要3000～4000年。 水分循环系统是一个水的自然净化系统。水不断地从潮湿的表面蒸发，或者从植物表面蒸腾，当水蒸气进入大气时，大部分杂质留下来。雨水到了地面经过沙石的过滤和沉淀，成为洁净的水。在这个净化过程中，海洋起着巨大的作用。太阳、海洋和大气像一个巨大的蒸馏装置，时刻不停地运转着。 由于水分循环的存在，使得水成为地球上最活跃的物质，使全球的水量和热量得到均衡调节。正是由于这种年复一年、日复一日永不停息的水分循环，才使得大气圈气象万千，使得地球表面千姿百态，生机盎然。假如水分循环停止，将再也看不到电闪雷鸣、雨雪霜雹；再也没有晴、雨、阴、云的天气变化；再也看不到江、河、湖、沼；当然更不会有森林、草原；动物与人类也将不存在。 |
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