太阳系的宜居带为什么以水为判断标准?

这个话题看似简单,实际上非常复杂,要想讲明白怕是要写一本书。但我知道你连1千字都没时间读完,所以努力用最少的文字来解答这个问题。

  • 什么是宜居带?

判断一个星球是否宜居,通常要看是这个星球是否适合最目前已知最简单形式生命(并不仅是指人或其它高级生命形式)的存在。它与许多方面的因素相关:

  1. 母恒星拥有合适的光谱,要足够稳定,有足够多的金属,有一个稳定的宜居区;

  2. 行星需要拥有合适且稳定的轨道,合适的质量,必要的化学元素,合适的地质环境;

  3. 行星需要有适合繁育生命的生态体系,包括:陆地,液态水,大气,适合的PH值,生命必须的营养素,低环境毒性,生命所必须的能量来源,合适的温度、压强、辐射度,气候的变化与能量运输等等。

 如果在某个母恒星附近存在这样一个区域,它拥有满足以上生命存在的基本条件,那么我们可以说,这颗母恒星拥有一个宜居带或宜居区。在这个宜居带里满足以上条件的行星是宜居行星,它拥有产生生命的最基本前提。

  • 太阳系的宜居带

我们都说地球处于太阳系的宜居带内,这个宜居带是以地球以及太阳的特征为条件来进行基本判断的。能量来源是对生命的绝对要求,在此基础上,一颗行星的可居住性意味着它在产生生命之前,必须满足许多地球物理、地球化学和天体物理学标准。

科学家们将这些标准进行简单化处理后,认为太阳系的宜居标准为:“有液态水、有利于复杂有机分子组成,以及有维持新陈代谢的能源”。

太阳系能满足这三项条件的区域,大致包含了地球到火星间的轨道区域。这个区域被称为太阳系的宜居带。

(绿环覆盖部分为太阳系宜居带)

  • 液态水是生命存在的基本条件之一

我们知道,地球上有71%的表面积被海洋覆盖,海水占了地球总水量的96.5%,海水的总体积达到13.5亿立方公里,海洋平均深度接近3700米。

地球最初的生命诞生于海洋。如果失去了总水量96.5%的海洋,地球会怎么样?我们地表还能剩下3.5%的水吗?

并不能。

因为地球的总水量中,还有约1.69%的地下水和1.76%的冰,这些冰大多在地球的两极。事实上,地表的淡水资源仅占地球总水量不到0.05%,它会蒸发殆尽。而目前地球大气中的水量尽管有1.29万立方公里,却仅为总水量的0.00093%!

(地球上水的分布)

如果地球失去了海洋,它将会变成一颗何等干燥的星球!

  • 与我们相邻的行星曾经也拥有广阔的海洋

科学家们认为,早期地球的海水要比今天多好几倍,金星和火星也曾被海水覆盖。但是到今天,地球的海水已经减少了许多,金星和火星已经成为干燥的死亡星球。

这决不是猜测,这个结论是科学推算的结果。

在太阳系形成之初,水分子在太阳系各行星中的分布是相对平均的。我们大家都知道,水分子是由一个氧原子与两个氢原子组成,事实上,水分子中还有一部分是氢的同位素氘,它比氢多一个中子,所以氘更重。水分子的化学式通常写成H2O,有氘的水被称为重水,它的化学式是HDO。

(氘与氢是同位素,它比氢多一个中子,所以比氢重一倍)

根据万有引力定律,比氢重一倍的氘处于大气层下方更贴近地面的部分,而处于大气层顶端的氢很容易被太阳风吹散到太空中。

科学家通过伽利略号探测器测量了木星大气中氢和氘的比例,发现它们的比例为40000:1。由于木星有极大的质量,它的气体被牢牢锁定,不会被吹散,所以科学家以此作为太阳系行星最初的比例标准。就是说,当金星、地球和火星在形成之初时,也应拥有相同比例的氢和氘。

现在,这几颗行星氢与氘的比例是什么样的呢?

地球的H与D的比例为6250:1,金星上的H-D比例仅为62:1,火星上的H-D比例比地球小7倍。

这意味着,地球的今天比最开始失去了84.3%的海洋;金星的表面温度为463度,它几乎失掉了所有的水;火星上的水也比最开始减少了97%以上,你在火星地表找不到任何液态水,它比地球上任何一个沙漠都更干燥。

如果地球失去了海洋,它最乐观的情形应该与金星相似,地球将变成一个炼狱,一切生命都将不复存在。

(失去了海洋,今天的金星会是地球的未来吗?)

  • 总结:

以我们对行星宜居带的判断标准,目前地球确实处于太阳系宜居带的最佳位置,因此她繁育出丰富多彩的生命形式。