地球也會生銹

　　地球表面上的鐵——無論是小釘子還是大鐵柱，長期暴露在潮濕的空氣中都會慢慢發(fā)紅、變脆，我們將這種變化稱為生銹，其本質(zhì)是鐵發(fā)生了氧化反應(yīng)，生成了氧化鐵，也就是鐵銹。據(jù)我們所知，地球的核心流動著巨量的熔融鐵水，那么地核會生銹嗎?

　　地核有生銹條件嗎?

　　鐵不會平白生銹，只有遇到水和氧才會生銹，地核里的鐵是否有生銹的條件呢?

　　雖然地核究竟有些什么，人類目前還沒辦法親眼看到，但有一些間接證據(jù)表明，地核很可能有許多水。地核的水是怎么來的?科學(xué)家對此有不同的猜測，有的人認(rèn)為是地球形成早期，撞擊地球的小行星將大量的水塞到了地核中，還有的人認(rèn)為地核的水來自地球本身，板塊運(yùn)動將地表水帶入了地核。

　　在高溫高壓的地核中，水分子的結(jié)構(gòu)與地表水不太一樣。水被加熱時，分子運(yùn)動會比低溫狀態(tài)下更加活躍，甚至從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，但高壓卻會禁錮水分子，迫使其留在原位。這兩種相互矛盾的力量造成了水分子結(jié)構(gòu)的變化，一大部分水分子會在高壓作用下，失去一個氫原子，變成羥基(-OH)。變成羥基之后，氧的身邊只剩下一個氫，這兩個原子會緊緊地“報(bào)團(tuán)取暖”，結(jié)合得更加牢固，總體積也變得更小，最終得以藏身于其它礦物質(zhì)里。

　　2017年，北京高壓科學(xué)研究中心的科學(xué)家們進(jìn)行了這樣一個模擬實(shí)驗(yàn)：他們將與地核和地幔中的化合物高度相似的金屬和含水硅酸鹽壓縮到金剛石砧內(nèi)，并用激光進(jìn)行加熱，隨后用質(zhì)譜技術(shù)分析了樣品的轉(zhuǎn)化過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)鐵在接近100萬個大氣壓的壓力下(類似于下地幔深處的壓力)遇到水分(包括含水礦物)時，會形成過氧化鐵或氧化鐵。換句話說，地核中的鐵遇到水也會生銹。

　　那么地核究竟有沒有生銹呢?科學(xué)家找到一些間接證據(jù)證實(shí)了這一點(diǎn)。地震波是我們認(rèn)識地質(zhì)結(jié)構(gòu)的主要手段，有研究表明，如果地核存在鐵銹結(jié)構(gòu)，我們收集到的地震波也可能有明顯變化——氧化鐵的存在會導(dǎo)致穿過它的地震波速度顯著降低。目前，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了近50個地震波速度異常減慢的情況，它們多發(fā)生在地核和地幔的交界地帶，科學(xué)家推測，這種減速情況很可能就是氧化鐵引起的。由此可見，地球很可能擁有一顆生銹的“心靈”。

　　生銹的地球孕育生命

　　科學(xué)家之所以熱衷于探究“地球到底有沒有生銹”這個看起來有些無厘頭的問題，其目的是追尋地球上最早的氧氣究竟來源于何處。

　　像大多數(shù)外星球一樣，地球形成初期是沒有氧氣的，直到24億年前，大氧化事件突然發(fā)生，地球上的氧氣一夜之間劇增到大氣的五分之一左右，并且維持至今，這才有了后來的有氧生物演化乃至于人類起源。可以說，沒有氧氣也就沒有人類。那么，這么重要的氧氣是從哪里來的?

　　傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為，大氧化事件是藍(lán)細(xì)菌的功勞，大量的藍(lán)細(xì)菌通過光合作用將大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化成了氧氣。可是，這一假說仍存在一些疑問。藍(lán)細(xì)菌也是需氧生物，在氧氣稀少的時期，這么多的藍(lán)細(xì)菌為何會忽然爆發(fā)?于是，一些科學(xué)家提出了新的假說：地球的氧氣其實(shí)是來自地核。乍聽起來，這個假說很不可思議，地核充斥著鐵水，怎么可能無中生有出大量的氧氣呢?但是，如果地球具有一個生銹的“心靈”，這個假說就有了實(shí)現(xiàn)的可能性：當(dāng)氧化鐵遷移到地核較熱的區(qū)域時，隨著地幔對流的流動，氧化鐵很可能會分解成鐵單質(zhì)、水和氧氣，堆積的氧氣得以從地殼縫隙中進(jìn)入大氣。

　　近年來有一些研究表明，33億年前地球曾發(fā)生過大規(guī)模的板塊運(yùn)動，一些巨型板塊向地核方向俯沖下去，將含水礦物帶到了核幔邊界處。如果是這樣，地球生銹可能在第一塊古地殼與地核相遇時就發(fā)生了。鐵銹可能會在核幔邊界處逐漸堆積，從而產(chǎn)生超低電壓區(qū)。在地幔對流的驅(qū)動下，當(dāng)鐵銹到達(dá)地幔柱根部的較熱區(qū)域時，它會升溫并變得不穩(wěn)定甚至分解。

　　就像火山間歇性爆發(fā)一樣，鐵銹在高溫驅(qū)動下發(fā)生分解進(jìn)而產(chǎn)氧也是階段性發(fā)生的，這導(dǎo)致大氣中的氧氣含量忽高忽低，不規(guī)律地變化。與藍(lán)細(xì)菌進(jìn)行光合作用使得氧氣含量不斷增加相比，地核產(chǎn)氧更可能使大氣氧氣含量最初迅速上升，隨后又下降——這與大氧化事件后氧氣的變化水平一致。從這點(diǎn)上看，地核產(chǎn)氧假說也比藍(lán)細(xì)菌假說更有說服力一些。

　　地核是否真的會生銹?生銹的地核是否會釋放大量的氧氣?這些問題的答案不僅有助于解釋地球氧氣的來源，還與未來的大氣變化息息相關(guān)——如果生銹的地核真的是一個巨大的產(chǎn)氧呼吸機(jī)，那么下一次的大氧化事件隨時可能到來。而大氣氧氣的含量并不是越多越好的，對人類來說，濃度過高的氧氣會導(dǎo)致醉氧甚至氧中毒，氧氣的增加還可能造成氣溫下降、碳氧失衡等，對地球環(huán)境會造成巨大影響。果真如此的話，我們就需要想好應(yīng)對之策。