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隱藏版海洋 在地球裡面

childsci_96
・2014/07/26 ・1255字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 507 ・六年級
Credit: DonkeyHotey CC BY 2.0

文/潘阿樹(科普作家)

水是人類生活中的一部分,水氣凝結成雲、下雨,到了地上又匯流成河,不過追根究柢,水究竟是怎麼出現的?地球上的水又是怎麼來的呢?

水從哪裡來?與地球起源有關

目前推測地球有四十六億年歷史,要知道早期地球的水從哪裡來,證據可以說是微乎其微,但是科學家仍然想從些微的證據中,找到蛛絲馬跡。

在宇宙中也可以找到水,最明顯的就是隕石和彗星。因此有些科學家認為,可能是在地球形成初期,大量彗星隕石撞擊,同時也將水帶來地球。有些學者則認為,水是地球形成時就存在的,有的說法是氫和氧結合成水,也有一種說法是地球形成初期有大量的火山,將水從地球內部向外噴出,再凝結成水。

說到這裡,你是否一頭霧水?其實就因為證據太少,讓科學家不得不發揮想像力,再透過不斷尋找與拚湊,來找尋適合的證據。不過大部分的學者都認為,地球的水與地球起源有很大的關係,而且其中很多水並不是像我們常看到的海水、雨水或冰雪,而是藏在岩漿、礦石裡,透過不同的作用逐漸釋放出來的。

岩石中有水?把水帶到地球內部

岩石中有水?沒錯!岩石中不但有水,還能把水帶到地球內部。在地球表面,有許多含水礦物存在,譬如石膏;有些海底的沉積岩裡也含有微量的水,這些含水的岩石,會隨著板塊運動中的隱沒作用,被帶到地球內部。

這些水還會降低岩石的熔點,也就是說,形成岩漿時,含水岩石跟沒有水的岩石比較起來,前者的溫度會比較低。全世界就有許多火山,都位在板塊隱沒的地方。火山又會把水以水蒸氣的方式向外噴出,讓水再度回到地表……原來,除了地面上的水會生生不息的循環,地球內部的水也會循環!

地底有海洋?林伍德石可能是關鍵

在最新的研究中,有些科學家認為,地球內部的水,說不定比我們過去想像的還多!

以前,科學家就在實驗室營造出類似地底深處的高溫高壓狀態,模擬地球內部形成的礦石,也因此發現許多種新礦石,包括一種含有水的林伍德石(ringwoodite)。通常林伍德石多半只能在隕石中發現,但令科學家振奮的是,在巴西發現一顆鑽石,鑽石中竟然包著林伍德石,表示地球確實存在這樣看似不可能出現的礦物。另一方面,科學家也早就知道,利用穿過地球內部的地震波,可以推估地球內部的構造與成分。後來發現,在地球內部大約四百一十到六百六十公里深的地方,可能含有大量的林伍德石。而林伍德石又含水,代表地球內部其實有大量水分以礦物的方式存在。有多少水呢?據說要比現在地球表面的水還多出三倍!

不過,科學家對林伍德石還不是很了解,畢竟深達數百公里深的礦物,在地上能看到的機率微乎其微。人類鑽井,也頂多鑽到十公里就鑽不下去了,更何況巴西發現的林伍德石也極為罕見。要解開地球之水從何處來的祕密,我們還需要更多證據。

 

參考資料: Rare Diamond Confirms That Earth’s Mantle Holds an Ocean’s Worth of Water. SA [Mar 12, 2014]

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childsci_96
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印度洋雲端上的「大水坑」?——新發現的氣候型態:大氣湖泊

Mia_96
・2022/01/11 ・2393字 ・閱讀時間約 4 分鐘

2021 年 12 月 16 日,一名來自邁阿密大學的大氣科學家──Brian Mapes(布萊恩•馬帕斯)於美國地球物理聯合會(American Geophysical Union,AGU)所舉辦的秋季會議中,提出近期於西印度洋所觀察到之新興氣象型態, 一種長時間存在於大氣中,移動緩慢的水氣團 ,「大氣湖泊」(Atmospheric lake)!

神秘大氣湖的手足:容納一整條河的大氣

過去當我們提及「大氣」二字時,腦海中冒出的第一個想法通常是充斥在我們生活周遭的氣體:人類呼吸作用所需之氧氣、佔大氣比例最重的氮氣或是現今耳熟能詳的溫室氣體甲烷或二氧化碳…。

但你知道,在大氣中同樣也具有似河川一般流動的水氣傳輸通道嗎?

在大氣的對流層中,有一條結構狹長且連綿不斷的水氣運輸通道,科學家將其稱為「大氣河流」(Atmospheric river)。大氣河流中主要的水氣源自於溫暖潮濕的熱帶地區,而順著大氣河流流動至較高緯度的區域,並以降雨(雪)之形式落下。

大氣河流通常隨著天氣系統移動,其所攜帶之水流量大約為密西西比河出海口的平均水流量!(每秒約 18800 立方公尺的水流量)。圖/SciJinks

最著名的大氣河流是一條被稱作「Pineapple Express」的強大水氣傳輸通道!(因其經過盛產鳳梨的夏威夷群島,故被稱作鳳梨特快)這條大氣河流會將位於夏威夷地區的溫暖水氣帶到較高緯度的美國西海岸,造成加利福尼亞州當地降下豪雨或大雪,於此同時,大量降下的雨水(雪)也是美國西海岸重要的淡水來源。

但強大的大氣河流有時也會造成洪患的災情,在2021 年 11 月,美國西部與加拿大西北部便受到 Pineapple Express 的影響,太平洋熱帶海域所蒸發的水氣大量被帶往美洲西岸,造成豪雨襲擊,甚至造成單日降下該地近一個月的總雨量,造成加拿大卑詩省當地的嚴重災情。

一整團漂浮的……湖水?

而 Mapes 所發現的大氣湖泊,最初只是在印度洋-太平洋海域上方的水氣,並逐漸從印度洋往非洲移動。與大氣河流相異的地方在於,當大氣湖泊在移動時,會逐漸與產生湖泊的天氣系統分離、收縮,最終聚集成孤立的水氣團,緩緩地漂浮在赤道周遭的海洋區域,而並不像大氣河流般快速的前進並帶來降雨。

Mapes 觀察到的大氣湖泊,其水氣來源自南亞的季風,後沿著赤道於東非附近形成大氣湖泊。圖/AGU

更準確地來定義,大氣湖泊的現象之所以需要被解釋,最主要是因為當中所包含的水氣是足以造成大量降雨的水氣含量,但卻又與過去我們時常接觸到的氣旋形成過程與現象,抑或是現今較為了解的大氣河流表徵大為不同,更是增添了其特別之處。

以夏天常見熱帶氣旋為例,其形成原因是因為受到日照使海水蒸發,當水氣遇冷凝結時放出潛熱,進而加熱空氣,造成更多水氣上升,形成一低壓系統。圖/pixabay

在查看近五年的衛星數據後,研究團隊總共發現 17 個大氣湖泊!

這 17 個大氣湖泊,皆位在赤道10 度以內的區域(若湖泊遠離赤道,也可能逐漸變成熱帶氣旋),且存在於大氣中的時間皆超過 6 天,而最長壽命的大氣湖泊,更是在空中停留整整 27 日!透過計算更是得出:若將大氣湖泊中所含之所有水氣凝結成肉眼可見的水,將會形成一個僅有幾公分深,但約有 1000 公里寬的大水坑!

旱災的另類解套方式?!

目前發現大氣湖泊的區域──印度洋-太平洋海域地區旁的非洲東海岸,因長年受到副熱帶高壓的壟罩,盛行下沉氣流,造成非洲東海岸全年乾燥少雨,降水量極為稀少,當地的水資源也相對匱乏。若找到方式使東非上空附近的大氣湖泊水氣大量降下至地表,也許便能為東非國家的乾燥地區帶來更多的水資源!

再者,因東非氣候長年乾燥,所以當偶然出現大雨時,必定也會被當地居民所記錄!Mapes 認為透過深入探索東非當地的知識後,或許會搜尋到與大氣湖泊相關資料,讓科學家更進一步了解大氣湖泊。

「這是一個十分乾燥的地區,所以如果大氣湖泊出現時,對這一地區一定十分重要!」(“It’s a place that’s dry on average, so when these [atmospheric lakes] happen, they’re surely very consequential,” Mapes said.)

若未來研究人員對於大氣湖泊有更為詳細的認知,大氣湖泊或許便能成為解決東非匱乏水資源其一的解套方式! 圖/Pixabay

踏上神秘湖泊的探索之路!

Mapes:「將大氣湖泊帶到近岸的風十分特別,他的風速趨近於零,也就代表,幾乎所有事件都可能影響著大氣湖泊的移動。」

大氣湖泊什麼情況下會產生?大氣湖泊為何會與產生的源頭分離?推動大氣湖泊的大氣模式為何?為什麼大氣湖泊在印度洋-太平洋區域會向西移動?種種有待被解決的疑問,使 Mapes 和研究團隊開始計劃使用更多的衛星數據與每日的密切觀察來研究這新興的氣象型態。

過去的天氣觀測方式主要著重在月份的降雨與水氣研究等,而較少著墨於每日的水氣變化,Mapes 推估這也是為何大氣湖泊至今才被發現的原因。故研究團隊傾向利用詳細的衛星分析資料,了解每日水氣的變化是否會影響著大氣湖泊的生成,希望透過更多的研究來來了解大氣湖泊的起源與成長!

參考資料

Mia_96
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喜歡教育又喜歡地科,最後變成文理科混雜出生的地科老師