我们对宇宙成分的最佳估计表明,宇宙主要由暗物质和暗能量组成,这两种物质在地球上都未被探测到。即使是我们有时称之为“可观测宇宙”的重子物质,按质量计算,四分之三是氢,23% 是氦,如果算上原子,则更少。地球上的物质则截然不同,氦是最稀有的元素之一,氢在地壳中所占比例不到百分之一,在整个地球中所占比例则更少。
我们的起点
在宇宙的尺度上,氢之所以丰富,主要是因为大量的氢是在大爆炸中产生的。在它诞生后的最初时刻,宇宙是一片混乱。。一旦一切稳定下来,大多数可观测物质由电子、质子和中子以及一些更奇特的亚原子粒子组成。电子和质子通常会相互结合形成氢。还会产生少量氦和更少的锂。
大部分原始锂在恒星中已被破坏,但同样的恒星将氢融合成氦,并在其生命后期融合成其余的尽管如此,如果把宇宙看作一台将氢转化为其他元素的机器,它仍然很年轻,大部分旅程还尚未完成。
然而,仅从地球来看,这项工作似乎已基本完成。我们的海洋由两部分氢和一部分氧组成(还加入了钠、氯和其他盐形成元素)。一些氢还与岩石结合或附着在碳分子上,如大气中的甲烷。尽管如此,从整个星球原子的比例来看,氢并不多。
然而,氦气却少得多;少到没有人注意到它是。
就像所有的 行星,地球是由。这又是由大爆炸中的氢和氦以及在早期恒星中融合的少量较重元素组成的,这些元素以超新星的形式散布在整个星系中,。
太阳和太阳系外的气态巨行星的成分大致反映了这一情况,尽管太阳最初的氢元素中有很多现在变成了氦。地球和其他内行星则完全不同。
那么这些元素到哪里去了?
除了在宇宙中数量丰富之外,氢和氦的共同点是它们都是非常轻的气体。这意味着它们可以轻松摆脱地球引力。较大的行星(如木星)由于引力更大,可以容纳更多的氢和氦;地球根本不够大。
此外,地球比气态巨行星离太阳近得多。气体会受到更多加热,从而产生能量,增加逃逸的机会。
氦气尤其稀有,因为它是一种稀有气体,与任何其他可能束缚住它以防止其逃逸的原子结合。大多数行星科学家怀疑行星盘中任何原始氦是否在地球上存在,尽管有人提出了一种机制可以解释一点。我们现在拥有的氦主要是重元素放射性衰变的结果。一种常见的衰变形式是,其两个质子和两个中子与氦-4原子的原子核相同。一旦释放,α粒子就可以从环境中捕获电子,变成氦。
如果在地表附近释放,氦原子很可能会进入大气层,然后进入太空。然而,地下深处放射性物质产生的氦可以陷入困境在地球内部的空洞中。
虽然氦气与派对气球有着广泛的联系,但它还有更重要的应用,例如和温度太低,无法用液氮等替代品来替代。我们的库存依赖于钻探到古老的空间,那里的氦气已经积累了数百万年。同样的空间通常还含有更丰富的其他气体,大多数氦库存都是作为副产品收集在钻探甲烷的过程中。然而,随着世界逐渐放弃化石燃料,可能会成为优先事项。
地球上的氢比氦更丰富,因为它很容易与氧等元素结合。水蒸气分子的重量是氢分子的九倍2分子,使其逃逸的可能性大大降低。尽管如此,形成地球的行星中的大部分氢被认为是早已逃脱,特别是当撞击使行星表面变成岩浆海时。
有一个地球的水是否包括地球形成时留在地幔深处的氢,或者地球是否一度干涸,然后被彗星和小行星中的氢补充。然而,无论哪一方是正确的,地球很幸运拥有这么多的氢。月球和其他内行星它们的损失要少得多,损失的过程与地球类似,但重力更小,无法阻止它们逃逸。
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