地球水和陆地的比例是多少(地球上陆地水占总水量)

水世界假说|超越费米悖论

费米悖论是恩利克·费密提出的一个基本假设。它是基于宇宙的漫长年龄和恒星的巨大数量。经过一系列计算，发现对地外文明存在的高估与缺乏地外文明存在的相关证据相矛盾。因此，在1950年夏天的一次午餐聊天中，费米提出了& # 34；所有的外星人在哪里？"著名的问题。

简单来说，费米悖论是指对外星智慧(ETI)存在的高概率估计，以及缺乏明显的证据。

今天我们来研究一下费米悖论的另一种双重可能——很多星球的水太多了！

这叫做& # 34；世界假说& # 34；根据这一理论，许多系外行星是& # 34；世界& # 34；在那里，水是如此丰富，以至于生命不太可能出现和发展。

"世界& # 34；该术语用于描述表面有大量水的类地(岩石)行星。这些行星的水构成了它们的主要质量和成分。世界假说的核心是关于我们宇宙中生命存在条件的关键假说。

开普勒-22b概念图——一种可能& # 34；世界& # 34；。资料来源:美国航天局/艾姆斯/JPL加州理工学院

以我们的地球和所有在地球上进化的物种为参照，科学家们不得不假设水是生命的关键组成部分。在所有已知的溶剂中，水是唯一能让生命生存的溶剂，地球上几乎所有已知的生物都依赖水生存。

这就提出了一个关于搜寻地外生命的基本观点:在搜寻地外生命的过程中，水被视为一种& # 34；生物特征& # 34；。当然，理论上，水分过多会干扰生命发育的一些至关重要的过程。要了解具体内容，首先，我们来快速浏览一下相关术语。

生物特征

术语& # 34；生物特征& # 34；指能够证明过去或现在有生命存在的证据。它们可以是一些化合物、同位素或一个反应过程。更具体地说，它们表明存在消耗自由能源和产生有机废物的复杂过程。包括氢、氧、二氧化碳、甲烷、水和一些硫和磷化合物。

当然，水是最受欢迎的生物特征之一，因为它是唯一已知的生命存在的溶剂，它对地球上几乎所有已知的生命形式都是必不可少的。然而，虽然水覆盖了地球表面的71%，但它只占地球总质量的0.02%。如果这个质量比更高，将意味着一颗行星完全被深海覆盖，可能会对宜居性产生影响。

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这和& # 34；暂时适宜居住的星球& # 34；同样，在那些岩石行星上，可以观察到似乎有丰富的氧气，这在起源上并不是生物活动的结果。相反，氧气被认为是化学离解的结果，即紫外线辐射导致大气中的水蒸气分解，进而产生氢气和氧气。

当较轻的氢流失到Tai 空时，氧气会被星球引力留住。但是由于氧气对许多基本生命形式是有毒的——例如像蓝细菌这样的光合生物，这种氧气的存在实际上可能会阻止生命的出现。

也许同样的事情也适用于过量的水。

起源

虽然水世界假说主要是最近发现的系外行星的产物，但其基础可以追溯到几十年前。例如，大卫·布瑞恩在1983年的开创性研究中总结了这一假设背后的思想:

"水覆盖了地球表面的70%以上。然而，也许地球正处于宜居世界中最干燥的阶段。如果陆地面积更小，或者根本没有陆地，那么就很难有机会进化出可以使用工具的物种。作为一个笑话，宇宙中最聪明的物种可能只有鲸鱼的外形，但他们从未想过使用无线电或前往其他星球。"

三颗系外行星的排列，基于化学成分和进入的流量，探索了为什么大气看起来如此不同。

作者:杰克·h·马登(经许可使用)

来自哈佛史密森天体物理中心(CfA)和哈佛大学理论与计算研究所(ITC)的两位研究人员马纳斯·维林加和亚伯拉罕·勒布也提出了类似的观点。在2018年的一项研究中，这两位研究人员考察了海洋和大陆在生命出现中扮演的角色。

最后，他们想出了两个可能的答案。一方面，他们的计算表明，海洋和陆地之间的谨慎平衡对复杂生物圈的出现至关重要。另一方面，他们认为像地球这样陆地面积与海洋面积之比为3: 7的行星在我们的宇宙中可能相当罕见。

近年来，天文学家还观察到一些迹象，表明水在行星的质量和组成中的比例可能比以前认为的更大。一方面，调查发现，许多运行在恒星可居住区(HZ)的系外行星似乎完全被水覆盖。

与此同时，在过去的十年里，有大量的岩石行星属于M型(红矮星)恒星系统。包括距离太阳系最近的系外行星比邻星B(4.24光年)，其轨道位于其恒星的可居住区。在2016年的一项研究中，Bastien Brugger和苍白红点团队创建了一系列内部结构模型，这些模型显示这些行星主要由水组成。

一个水世界，在面向太阳的那一面有一片液态水的海洋。资料来源:eburacum45/ DeviantArt

假设比邻星B是一颗没有大质量大气层的岩石行星，brug和他的同事得出结论，这颗行星的最大半径可能是地球的1.4倍，其质量是地球的1.46倍。然而，这些参数还包括高达50%的水质量，这意味着它很可能是一个& # 34；海洋& # 34；还有一个冰冻的冰壳。

随后，伯尔尼大学的研究人员进行了类似的研究，研究了小质量恒星(也称为红矮星)周围行星的形成。他们的结果表明，这些行星的半径是地球半径的0.5-1.5倍(平均半径是地球半径的1倍)，在90%的情况下，水占行星质量的10%以上。

2017年，天文学家确认TRAPPIST-1周围有7颗岩石行星，其中3颗位于该恒星的可居住区内。此后，许多研究表明，该系统可能有丰富的水资源。然而，2018年，亚利桑那州立大学地球与空探索学院(SESE)领导的一项研究计算了TRAPPIST-1行星的含水量，得到了类似的结果。

基于他们的& # 34；质量-半径-成分& # 34；模型，他们发现最里面的行星(B和C)是& # 34；干& # 34；-只有15%质量的水，而最外围的行星(F和G)有超过50%质量的水。2018年，由哈佛大学研究员曾黎领导的一个国际科学家小组研究了开普勒的Tai 空望远镜和盖亚任务的数据，以确定& # 34；世界& # 34；有多普遍？

比邻星B围绕比邻星运行，比邻星是离太阳系最近的红矮星。资料来源:ESO/M. Kornmesser

因此，曾黎和她的同事可以创建一个模型来显示质量和半径之间的关系。他们发现，一颗半径为地球2.5倍(质量约为地球的10倍)的行星可能是一个水世界——水约占其质量的50%。简而言之，他们发现，在所有已知的比地球大的系外行星中，大约35%应该富含水。

影响

对于寻找生命来说，很多系外行星不太可能是水世界。比如50%水团的星球海洋深度可能达到几千米。也就是说，这些行星将在岩石核心周围的高压冰层上由液态海洋构成。

岩石核心和海洋表面之间的冰将阻止通过地热活动进行能量交换。在地球上，核幔边界的地热喷口被认为是生命出现的关键。在像欧罗巴和其他冰冷卫星这样的海洋行星上，这种活动被认为是海洋中任何生命的必要条件。

考虑到它们的共性，有没有可能是水世界的稀缺导致了宇宙生命的稀缺？也就是说，我们所知道的生命是稀有的，不是因为关键的生物特征太少，而是因为太多。这与许多天文学家预期的发现完全相反，但它确实为费米悖论提供了一种可能的解决方案。

批判

虽然这个假设吸引了费米悖论，但它确实排除了水世界存在生命的可能性。例如，2018年，地球物理学家埃德温·凯特和天体物理学家埃里克·福特的一个项目名为& # 34；系外行星水世界的可居住性& # 34；在研究中，两人认为水世界可以保持碳循环，没有地质活动，也没有地块，因此也适合居住。

在地球上，由于大气中二氧化碳含量相对稳定，温度一直保持稳定。这是因为在碳循环中，温室气体通过地幔中的对流被矿物质吸收，然后通过火山活动周期性地释放回大气中。在这种情况下，地质活动对于维持可居住性至关重要。

这样的过程在水世界是不可能的，因为地球的整个表面都是由水和地热活动组成的，不可能向大气转移物质或能量。但根据凯特和福特所做的模拟，水世界将能够在大气和海洋之间循环足够的碳，以维持数十亿年的稳定气候。

此外，宾夕法尼亚州立大学的地球物理学家Bradford Foley和Andrew Smye在2018年进行的一项研究表明，板块构造对于维持地球上的可居住条件并不是必要的。在这里，研究小组还表明，碳循环可以在没有火山活动的地壳对流的情况下维持(前提是地幔中有足够的放射性元素)。

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哥白尼原理和人择原理

另一个需要考虑的重要问题是，这个假设提出了关于地球和陆地上生命本质的问题。特别是再次引发了关于地球是典型宜居星球还是罕见(甚至独一无二)案例的争论。前一种可能性是哥白尼原理(也叫平庸原理)的一个例子，即地球和人类在观测宇宙中没有特权地位。

相反，人择原理认为科学观察是可能的，因为宇宙的规律与有意识生命的发展是相容的。在宇宙论中，人择宇宙论认为人类和地球确实处于特权地位，而不是正常状态的一个例子。

在这方面，水世界假说可能表明像地球这样的行星在宇宙中实际上是相当罕见的。考虑到它们是否适合居住，这可能意味着像人类这样的物种(陆地型、工具型等。)都很少，或者说只是独一无二。无论如何，这可能解释了为什么我们没有收到任何人的来信！

虽然科学家们还不能完全确定水世界是否真的无法支持生命，水世界在太阳系外的行星中所占的比例是否足够，但这一假设确实反映了近年来我们对系外行星的了解显著增加。这也提醒我们，哥白尼原理和人择原理的争论远未结束。

围绕超冷红矮星TRAPPIST-1的几颗行星。资料来源:ESO。

不过还是挺耐人寻味的。也许大卫·布瑞恩说得最好:

"事实证明，我们的地球已经滑过了太阳持续存在的可居住带的最内部。地球可能非常独特。这可能是因为我们离太阳太近了，所以我们有一个富含氧气的大气层，而作为一个‘水世界’，我们的海洋异常的小。"

"在这种情况下，像我们这样能解放双手用火的生物的进化，在银河系可能是非常罕见的。这时候我们造一艘星舰去那里，也许会发现很多很多生命世界，但都像波利尼西亚。我们会在Tai 空里发现很多智慧生命，但都是海豚、鲸鱼、鱿鱼之类的生物，永远不会建造自己的星舰。"

原文链接:https://www . universetoday . com/147775/Beyond-Fermis-Paradox-XII-What-The-water worlds-Hypothesis/

资料来源:中国科学院高能研究所

编辑:钱