1萬米深的馬裡亞納海溝,1100個大氣壓,下面的水還是液態嗎?

2020-12-13 李論科學

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目前人類已知地球最高和最低的地方分別是珠瑪琅瑪峰和馬裡亞納海溝,一個高度達8848米,一個深度達11千米左右,但是人們徵服高空相對容易,目前每年有大批的遊客可以在專業團隊的幫助下登上珠瑪琅瑪峰,但是能夠下潛到馬裡亞納海溝的人,卻沒有登上月球的人多。所以往下走,比往上走要難得多。這也是為什麼雖然我們生活在地球上,但其實對地球深處並不是很了解的原因。

馬裡亞納海溝位於太平洋西部,馬裡亞納群島附近的海底,海溝全長約2550千米,為弧形,平均寬約70千米,最深處可達約11000米,是目前地球上已知最深的海溝,由於地球71%的面積被海水覆蓋,我們人類對海洋深處的了解並不是很多,因此在地球上也許還存在比馬裡亞納海溝更深的地方。

馬裡亞納海溝是由太平洋板塊和歐亞板塊相撞後,太平洋板塊向下俯衝後形成的,而被抬高的歐亞板塊就從海底露頭,形成了大大小小的島嶼,而日本本土整體就處在兩個板塊的斷裂處,因此日本是一個常年發生地震的國家。

由於海溝深處的高壓、黑暗、寒冷的極端環境,目前能夠對馬裡亞納海溝進行科學考察的國家並不多,而能夠實現載人下潛到海溝底部的國家只有美國一家,2012年3月美國著名導演詹姆斯-卡梅隆獨自乘坐「深海挑戰者」號下潛了近11千米,這是人類第二次下潛馬裡亞納海溝,並且創造了下潛深度的世界紀錄,我國無人下潛深度記錄為10767米,載人深度記錄為7062.68米。足以見得,人類探索海底深處的難度,不過從人類多次下潛返回的資料來看海水依然是液態。並沒有因為巨大的壓力而被壓為固態晶體。

其實這個問題只需了解水的相位變化

我們知道水有三種形態:液態、氣態和固態,這三種形態可以互相轉化,而互相轉化的的因素取決於水所處環境的溫度和壓力。我們在地球表面經常看到水的相位變化是在1個大氣壓下(1個標準大氣壓為100kPa)進行的,由於地球表面壓力穩定,所以我們只考慮溫度的變化對水的影響。例如:0℃的環境下水會呈現出液態和固態的混合物,低於0℃水為固態,高於0℃為液態,高於100℃為氣態。

但是壓力的變化也會導致水相位的變化,例如在高海拔氣壓低的情況下水的沸點溫度就會降低,甚至到了外太空水會在常溫下直接氣化,而在壓力高的地方,水的沸點就會升高,例如:我們家裡常用來煮飯的高壓鍋。如果壓力足夠高,也會讓水變為固態晶體,例如:木星內部的壓力足以讓氫氣變為液態金屬。那麼為什麼壓力會影響水相位的變化麼?

我們知道水是由水分子組成的,而所有的水分子在水中進行著不規則的隨機運動,所有水分子所具有的平均動能表現為水的內能,也就是熱量,我們用溫度這個物理量來衡量,不過有些水分子所擁有的動能會高於平均值,這些擁有更高動能的水分子就會逃離液態水表面變為氣態(常溫下水的蒸發),而水溫度的升高會讓水中分子擁有更大的動能,當水分子平均動能足夠大時,水就會沸騰,大量的液態水就會轉化為氣態。

當外界壓力增加時,例如大氣壓的增加,就會在水面上施加一個壓力,阻止水分子的逃逸,壓力不斷升高,水分子想要逃逸就需要越來越高的動能或者是溫度。當外界壓力減小時,水就很容易變為氣態,不過當溫度足夠低時,即使沒有外界壓力,水分子也沒有足夠的動能發生逃逸,依然為保持固態,這就是為什麼在月球南極依然存在水冰的原因。

上圖就是水的相位圖,而溫度和壓力的變化就會導致水相位的變化,圖中可以看出只要讓溫度一直保持在零下60攝氏度以下,那麼不管壓力怎樣變化,水一直都是固態,也就是說,即使沒有壓力,水分子的運動也會非常緩慢,只會在固體晶格中發生微小的振動,更沒有足夠的動能發生逃逸氣化。當壓力達到一定的數值,從圖中看是10Gpa,液態曲線已經上升得十分緩慢了,也就是說需要更高溫度才能讓水保持液態。

圖中還有一個特別的點,也就是水的三相點,液態固態氣態共存,溫度在273.16K(0.01攝氏度),壓力為611.73pa。掌握了以上的知識,我們就可以用馬裡亞納海溝深處的壓力和溫度對照上圖就可以知道在地球海洋的最深處水是啥狀態。

馬裡亞納海溝深處的壓力和溫度

太陽光在水中穿透能力並不強,也就是說水是一個吸收太陽光很好的物質,並且波長越長的光線最容易被海水吸收,而剩餘的藍光就會穿越到更深的海底,這就是為什麼海洋是藍色的原因,不過最後的藍光也會被海水完全吸收,一般在海洋深度1000米以下已經沒有光線了,一片黑暗,但海水的溫度並不會一直下降到0℃。

上圖可以看到在1000米以上溫度會快速的降低,但是過了1000米溫度會緩慢的下降,直到之後一直趨近於一個數值,研究人員測得在馬裡亞納海溝深處的平均溫度為2攝氏度。海洋底部的壓力我們可以根據P=ρgh來計算,不過科學家已經測量大約為1100個大氣壓。1個標準大氣壓為100kPa,所以海底壓力為110000000pa,這個壓力大約在相位圖100Mpa附近。

這個壓力和溫度從相位圖上來看依然是液態水。只能說壓力還是不夠。

我們知道,在海洋深處經常還會存在熱液噴泉,溫度一般在350到400攝氏度,如果在馬裡亞納海溝深處也存在這樣的噴泉,附近的海水依舊會保持液態不會被氣化,我們可以把這個溫度和壓力對照相位圖看一下來就知道了。

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  • 扔進馬裡亞納海溝試試
    我們都知道人類目前探測到的地球最高點是珠穆朗瑪峰,它距離地平面8000多米,很多人都想要徵服珠峰,即使帶上了很多專業設備每年在珠峰上發生意外的探險者還是很多。所以說不得不佩服人類的探險精神,現在地球最高點已經不是什麼鮮見的事情了,很多人打起了地球最低點馬裡亞納海溝的主意。
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  • 「奮鬥者號」坐底馬裡亞納海溝,人類如何一步步潛入深海
    奮鬥者號是中國研發的萬米載人潛水器,於2016年立項,由蛟龍號、深海勇士號載人潛水器的研發力量為主的科研團隊承擔。今年6月19日,中國萬米載人潛水器被正式命名為「奮鬥者」號,它融合了之前兩代深潛裝備的優良血統,不僅採用了安全穩定、動力強勁的能源系統,還擁有更加先進的控制系統和定位系統,以及更加耐壓的載人球艙和浮力材料。
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    這裡所指的馬裡亞納海溝,是廣義的說法,實際包括從馬裡亞納海溝以南的亞普海溝、馬裡亞納海溝,經日本小笠原群島以西洋底並斜穿日本本州島,直達我國的小興安嶺山脈,是一個巨大的弧形構造帶。這個構造帶是一個能動的構造帶。
  • 最深的海底壓強超過1000個大氣壓,這裡的泥土會不會被壓得很緊?
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  • 奮鬥者號成功坐底10909米深海!海底下到底有多恐怖?
    本文參加百家號#科學了不起#系列徵文賽作者:冷眼海底一萬米,在地球上可能就只有一個地方了,那就是馬裡亞納海溝,這是人類已知地球上最深的區域之一,這個區域水壓高、完全黑暗、溫度低、含氧量低,且食物資源匱乏,因此成為地球上環境最惡劣的區域之一,所以基本上是沒有人敢接觸這個區域
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    目前人類已知最深的海溝是馬裡亞納海溝,又稱馬裡亞納群島海溝,如果突發奇想,假設把一顆100斤重的鐵球沉入馬裡亞納海溝,鐵球會被水壓得變形嗎?馬裡亞納海溝深度上萬米,針對這個情況,答案可分為兩種討論,第一種如果鐵球實心,那還沒下沉到馬裡亞納海溝底部早就變形了。第二種是空心的鐵球,那還要看空心程度,如果空心部分的體積小於一定值,浮力小於重力,那也會下沉,仍然會變形;如果空心部分的體積大於一定的臨界值,那鐵球根本不會一直下沉,可能是懸浮,也可能是漂浮,像這種情況那就不會變形。
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