互动科普

假如地球上没有“液态水”

按照大多数科学家的观点，有稳定的液态水的存在，至少对于地球上的生命是必不可少的条件。

地球上几乎所有生命的体内60%以上都是液态水。据推测，地球上最初的生命就是诞生自海洋（例如深海的热液喷口周围）。也就是说，没有液态水就不可能有生命的诞生。

那么，地球上的生命为什么需要液态水呢？首先，液态水的温度变化范围比较宽。如果生命活动利用的不是水，而是温度稍有变化就会冻结或者蒸发的另一种物质，那么，生命活动所要求的温度条件就会非常苛刻。而且，构成水分子的是氧和氢这两种在宇宙中十分丰富的物质，这使得水具有非常优异的性质。

如果没有水，地球上的生命就无法维持。例如，构成生命的细胞的那层“细胞膜”多亏水分子具有“极性”才得以保持有稳定的结构。如果没有水分子的这种性质，细胞就会立即解体。

此外，水能够溶解绝大多数的物质。生命活动所必需的那些物质只有溶解在水中才能够顺利地在生命体内移动。维持生命活动的那些复杂的化学反应差不多全都是在水中进行的。

邻近地球的金星假如距离太阳稍微远一些，也会成为具有生命的行星吗？

那么，一个行星必须满足哪些条件，才有液态水存在呢？

要有液态水存在，地球表面的温度必须是在0〜374℃这个范围之内。（温度超过100℃，只要压力足够高，水也能够以液体状态存在。374℃是水的临界温度，在这个温度以上，即使增加压力，水也不可能以液体状态存在。）

决定地球表面温度的一个重要因素是地球到太阳的距离。距离太阳过近，水会立即蒸发；反之，距离过远，水又会冻结。地球只有正好位于不是太热也不是太冷的一段距离范围，在它的表面上才会有液态水存在。在行星科学中，这个距离范围被称为“宜居带”（有可能存在生命的距离范围）。

不过，地球表面的温度并不是仅仅由它到太阳的距离这惟一的因素决定的。来到地球的太阳光，其中约有30%会被反射，只有70%被吸收。如果云量和冰雪增多，由于白色面积增大导致反射率上升，地球会变得十分寒冷。

地球的大气对表面温度也有很大的影响。大气就像是盖在地球表面的一张毛毯（温室效应），具有保暖作用。据推测，如果没有大气，地球的平均气温会下降到-18℃。地球的实际平均气温为15℃。多亏有大气，地球才得以保持这样的舒适温度。

太阳系的宜居带向外延伸至火星？

这里绘出的是行星围绕太阳公转的圆盘面，圆盘面上用颜色显示了太阳系的宜居带。内侧的红色部分距离太阳过近，是不可能有液态水存在的区域。在这个区域内的行星，例如金星，液态水完全蒸发，不久便从大气消失。红色区域外侧的绿色部分，距离太阳稍远。位于这个区域的行星，即使没有温室效应，也有可能保持在可以有液态水存在的温度。这个绿色部分和它外侧蓝色区域的一部分就是宜居带。位于蓝色部分的行星，只有温室效应非常强，才有可能有液态水存在（反之，如果温室效应很弱，位于这个区域的行星的表面就会冻结）。我们的地球就位于这个区域。前不久，科学家才认为也应该把火星的轨道归入宜居带。再向外，即使有温室效应也无法维持一个温暖环境，那里是行星表面会完全冻结的区域。

火星有可能适合居住吗？

以前，科学家一直认为太阳系的宜居带仅限于金星轨道略微靠外一点位置和火星轨道略微靠内一点位置之间的这一段距离。然而，近年来的研究已经把太阳系的宜居带向外扩大到了火星的外侧。日本东京大学大学院理学系研究科的田近英一博士对此有如下的说明：“原来一直认为火星略微靠内的位置是太阳系宜居带的外边界，那是因为在那个距离的外侧，二氧化碳会形成云。以前的看法是，这种二氧化碳云会增加行星的反射率，使行星变冷。现在的新看法是，二氧化碳云起到的阻挡热量散失的作用要更大。”

有意思的是，如果把地球移动到现在火星的位置，地球上很可能仍然会有液态水存在。当然，在那种假定的情况下，地球的大气如果仍然是现在这种组成，地球就会冻结。必须大量增加二氧化碳的浓度，加强温室效应的作用。把现在的地球移动到火星轨道，很快就会冻结，但这只是暂时的。那以后，由于火山活动会不断增加大气中的二氧化碳，温室效应便会增强到使冰融化，能够以液态水的状态存在。现在的火星虽然位于宜居带却没有液态水存在，是因为现在火星的大气太稀薄了。

（本文发表于《科学世界》2011年1期）