如果把地球那么大的一团水放在太空会发生什么？ 第1页

实名反对

的答案。

这个答案在物理上存在诸多疑点，

对这样不严谨的答案在短时间内获得1000赞，我表示十分遗憾。

以下是对这个答案（2014.8.25版本）的质疑：

疑点一：

在这种状况下，水的物理形态会发生变化，熔点会因为高压变得非常高，从而使水在那种环境下凝固成冰。

没有计算数据支持的揣测都是耍流氓……根据本人反复计算，对于地球大小的大水球，其中心压力大约在5.7GPa，根据水的三相图（参见

）在这个压力下，是很可能无法形成固态水的，根据水温度的不同，它可能形成 超临界流体，也可能只是普通的液态水，这个有待进一步的计算。

疑点二：

这层流体的密度会随着深度的增加线性上升，而达到相当大的程度。

相信答主对超临界流体了解得不多，其实我也了解得不多。但是对于不会的东西，需要查资料来证明。参见

，在维基百科上，清楚地写着，对于超临界流体，它的密度大约在 0.1~1 克每立方厘米，其密度并非高于普通状态的水。其密度绝对不可能达到“相当大的程度”。

疑点三：

在这层超临界流体之上，会是一层大约20公里深的水。

请求数据来源。

疑点四：

如果这团水处于离恒星很近的地方，因为恒星的加温，水球表面的温度会很高，因此会维持液态。这样的话就与没有陆地的地球无异。一部分水会蒸发，形成含有水蒸气的大气层。

地球的大气层的存在并非完全因为水，而是因为其他元素尤其是行星形成初期的尘埃。个人倾向于水蒸发后无法形成大气层而是会消失在星际空间中（参见下文）。

疑点五：

如果时间足够长的话，表面的水会慢慢光致分解，变成氢和氧进入大气层。

请原谅我的化学水平太低，实在想不明白这个"光致分解“的反应是如何发生的。关于所谓的光致分解，我查到的资料是这个：

，这个和水并无关系。我百度了很多内容，没有发现水也能光致分解的。我猜测答主的含义特指太阳的紫外线光解吧，但这个反应也不是随随便便发生的，需要一定的条件。

疑点六：

由于氢很容易被太阳风带走，时间久了，这个水球的大气层里就会富含水蒸气和氧。会有正常的风、大气环流、洋流和云雨。如果他的位置处于恒星的宜居区，甚至会有孕育生命的环境。

风、大气环流、洋流和云雨是如何形成的？我实在是难以理解。很多东西只有地球上才有，形成条件是非常苛刻的。如果能那么轻易地形成这些，我们大概已经找到好多好多适宜居住的星球了吧？孕育生命就更不可信了，连碳元素和硅元素都没有，连有机物都不会存在，又何来生命？

疑点七：

但如果他距离恒星太近，表面的水会进入沸腾的状态。于是你看到的这团水球的表面就会是一团开水。沸腾的水形成水蒸气的大气层，并迅速被太阳风带走。由于表面的高温，外层的液态水也会变成超临界流体。

之前已经给出了超临界流体的定义，星球表面的水，无论从温度还是压力上都不存在形成超临界流体的条件。

………………

可能还有一些疑点，就不一一列举了。

………………

对于水球这样一个理想模型，其物理机制可能非常复杂，要完全解释清楚是相当困难的事情，我并不认为现在能有很多人能解释清楚。

不过，既然已经说了那么多了，我也尝试着给出自己的模型，

肯定是不够专业的，也许会有很多疏漏甚至是错误之处，还请大家多多指教。

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模型的初始条件假设（尽可能严谨）：

1、在太阳系中，对于外力，仅考虑太阳对其的作用力，其他所有天体一概忽略；

2、在地球的轨道上，即距离太阳 1 天文单位；在这个轨道上，要保证绕太阳匀速圆周运动，其公转速度必须和地球一致，即公转周期大约是 365.2422 太阳日；

3、星球的构成是纯，它的形状是绝对球形，半径和地球一样为6371 km；

4、星球初始密度为均匀分布，所有位置均为 1 （自然，这个状态并不能稳定存在）；

5、这个星球有一定速度的自转以保证稳定性。

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一、这是一颗怎样的星球？

容易地，我们可以计算出它的质量：

对于球体内部距离中心为r的一个小质量体m，其受力大小为：

于是在该点的重力加速度为：

故其中心的压力为

这个压力大约是一个标准大气压的 56000倍。

（注：如果是质量和地球一样，半经将会是地球的1.77倍，中心压力大约是17.7GPa）

在这样的压力下，将以什么形式存在？

参见下图（水的三相图，来自

）

我们只知道水的压强，暂时不知道水的温度，所以我用红圈圈出它可能的形态，根据水初始的温度它可能形成的状态有：

（0~约225℃）、液态水（约225℃~373.9℃）或

（>373.9℃）。

（注：如果是质量和地球一样，中心压力大约是17.7GPa，中心状态可能是冰七和超临界流体，但不会是液态水，但在星球的其它位置，依然可能有液态水，其实差别不是太大）

根据维基百科提供的资料，冰七的密度大约是1.65，普通水由于液体的难以压缩性，其密度大约在 1，而超临界流体的密度大约在 0.1~1。

由此可见，虽然均匀分布的球是不稳定的，但是整个球可能的相态也就只有 超临界流体、冰七、液态水和水蒸气（在星球表面）四种。其中冰七可能不存在，而前三者的密度在 0.1~1.65的范围内，比较有可能的情况是由于超临界流体的存在（冰七即使存在，其范围也十分有限），这个球会略微膨胀一些。

二、大气层是否可以形成？

如果没有大气层的约束，那么在星球表面的压力就极小，几乎为零，从水的三相图中可以看到，若如此，对于任何大于-50℃的环境，都将以水蒸气的状态存在。于是，在太阳风的作用下，星球可能会逐步蒸发。

问题在于，大气层是否存在？

这个问题很难回答，但个人倾向于大气层不能稳定存在。

参考地球上大气的形成：

。地球的大气经历了 原始大气、次生大气和现代大气三个阶段。在原始大气阶段，大气层的物质主要是氢和氦，但由于地球引力不够和太阳风的影响，这一层大气很快就消失掉了。这个阶段和我们要讨论的球是类似的。而次生大气是由地球内部火山喷发后形成的水汽、二氧化碳、氮、甲烷和氨等生成，我们显然不具备这个条件。

类似地，金星大气层可以参见

，在大气的形成过程中“包含水蒸气等较轻气体则持续被太阳风经由诱发磁尾吹出金星大气层”。以及火星的大气层：

，其中只含有微量的水蒸气。

金星、地球和火星的外部条件和我们要讨论的球是相近的，但是三者大气的形成过程中水蒸气都占了很小一部分，并且除了地球外，另外两颗星球的大气主要成分是,而这其中的碳元素的来源主要是行星内部。

一个不严谨的推测是：水分子由于分子量太小，它的蒸汽状态无法单独在大气层中稳定存在，在

的作用下，它极有可能被吹散在太空之中。

（另：类似于地球的行星，之所以能抵御

，很大程度是因为地磁场的存在，而磁场的存在主要是因为地球中心有铁元素，依靠自转来形成，但是大水球不具备这样的条件，它怎么转都没有磁场，所以可能完全无法抵御太阳风。）

如果没有稳定的大气层，球会何去何从？

三、冰火两重天

幸好，我们有现成的例子，那就是

。月球是什么状态？没有大气。

失去了大气层的屏障，月球的表面温度简直可以用“冰火两重天”来形容。向阳面，在太阳的照射下，最高温度能达到127℃，而在背阳面，由于失去了保温作用，它的温度可以低至-183℃。

如果一个球拥有这样的环境，它会怎么样呢？

我想可能是这样的（大小比例不一定恰当）：

在太阳光的照射下，向阳的星球表面会迅速形成水蒸气，而背阳面因为温度过低而形成冰层，而其内部分别是液态水以及超临界流体（或冰七，根据它的温度）。

显然地，在向阳面，水蒸气会迅速蒸发，因为无法形成大气层，加上太阳风的作用，所以它很快会在太空中。

而在背阳面，形成的冰是否就可靠呢？当然不是！行星总是有自转的，虽然在太阳的潮汐力的影响下，自转速度可能会减慢，但毕竟距离太阳太远，自转速度无法减到零（地球就是一个很好的例子），因此正如昼夜交替一样，背阳面很快就会变成向阳面，它所形成的冰也会迅速融化（甚至是升华），而转到背面去的水蒸气，还没来得及蒸发，又在低温下结成了冰。

四、我的心，被你一层层地剥开，一边剥一边哭，最后终于随风飘走，什么也没有留下

一边自转，一边蒸发，在不断地凝固、融化、升华和凝华下，大球的半径越来越小，内部的结构（液态水和超临界流体或冰七）也逐渐地变得越来越小。

只有，没有其它物质，没有东西能阻止这个过程的进行。这个大球，终于不复存在。

也许你暂时能看到它留下的痕迹：有一滩薄薄地水，均匀分布在它原来的轨道上。

但是，不比小行星带，它那柔弱的外表，是禁不起风吹日晒的。

一阵太阳风吹来，它终于被吹走了。吹到了更远的地方。

这个曾经晶莹剔透、秀色可餐的大水球，就这样消失在了茫茫星海中。

什么也没有留下。

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注：本文已经收录至我的专栏

如需深度讨论，最好移步该处吧。

谢谢大家指教。

呃……前晚临睡前开了下脑洞随手写的东西居然一天已经被顶成这样子了，完全意外+受宠若惊啊（捂脸逃）

答主读的不是物理专业（恩，其实是码农……顺便辅修过机械- -），所以一些基本概念难免会有差错。以及基本只是定性估计而不是定量计算，故此出了一些bug。在此感谢提出反对意见的 @吳易易 @曾加 @张睿 和一个……呃……@匿名用户。虽然对某些建议持保留态度，但很感谢各位的建议，尤其感谢进行了计算的各位。

下面的正文针对之前的部分bug做了一些修改及补充说明。修改之前的正文使用斜体。新增加的内容加下划线。讨论的前提是质量与地球相若的水球，其他条件不做约束。

/****************************正文的分割线****************************************************/

那么大的体积，还是那么重的呢？

如果是和地球一样质量的一团水，在太空中体积会比地球大很多。但是，无论体积如何，当质量已经达到行星级别的时候，重力都会无情的重塑这一大摊水。

无疑的，这一大团水会因为重力而达到静流体平衡，从而变成一个非常漂亮的球体。[注1]但这个球内部的结构不会是均匀的，而是随着深度的增加逐渐改变。

如此巨大的一团水，半径无论如何都会有几千公里。这意味着，在这团水的核心部分，水压早已达到相当可怕的程度了。在这种状况下，水的物理形态会发生变化，

(熔点会因为高压变得非常高，从而使水在那种环境下凝固成冰。但不要觉得那些冰很冷什么的，由于高压，他们的温度可能会非常高--也许高过地球海平面上水的沸点。由于高压的影响，这些冰的特点已经和我们常见的冰不是那么一样了。如果这团水并不是那么纯净，而是有一些不可溶的固体杂质，这些杂质也有一定的可能逐渐沉积到这团水的中央，形成一个固体的核心。

在高压冰之上的水，压力虽不至于让水凝固，但也不会让水安静的维持成水的样子。水的液相会在高压下消失，变成类似气体的超临界流体。这层流体的密度会随着深度的增加线性上升，而达到相当大的程度。这层超临界流体会相当厚，大约会占掉这团水的绝大部分体积。

在这层超临界流体之上，会是一层大约20公里深的水。在这一层，虽然压力仍然可能很高，但已经不那么离谱了。故此区别不会和地球上的海洋有太大的区别。)

由于巨大的压力（以及可能很高的温度），水会突破临界点，从单纯的液体变为介于气体和液体之间的超临界流体。[注2] 由于水的临界点高达647K（约373C°），可以想象这会是一团高温，危险而不友好的奇怪流体。由于超临界流体的物理特性对压力敏感，随着深度的下降，这层超临界流体的密度会迅速上升。

之前的正文中提到，在核心处，压力最高的地方，超临水可能会被进一步压缩成高压冰（冰VII）。之后，有人提出反对意见，认为当水突破临界点之后不可能再次被压缩成固体。确实如此么？有人给出了水的三相图作为例证。不过既然要讨论超过临界点以后的问题，至少也要拿出来超过临界点的三相图出来吧……

如下图：[注3]

图中右上角的红点即为临界点。横轴是温度，纵轴是压力。蓝色的区域代表固体，绿色代表液体，土黄色，标记上Vapor的代表气态。临界点右上角没有标注的棕色区域为超临界流体。

可以看到，即使突破了临界点，只要压力足够，水还是会被压缩成固体形式的。实际上，在现今的冰巨星结构模型中，就是在超临界流体下包含了一层高压冰作为核心（或者作为岩石核心的外层）。因此这种状况是可能发生的。

但具体在这个大水球上会不会发生呢？不知道。因为需要考虑水球核心处的压力。

曾加君和某匿名用户已经计算过，在水球的体积等于地球体积的情况下，核心处的压力不足以维持高压冰的存在。如果温度足够低的话，甚至可能不足以维持超临界流体的存在。至于本文讨论的，质量与地球相同的状况，因为地球的平均密度大约是水的5.5倍，故此质量和体积都会大很多。读者若有兴趣的话，可以帮忙算一下这种情况下水球核心处的压力，这样就可以估计高压冰是否可以形成了。在此感激不尽^_^

最后到了这层水的表面。而这里的状态如何，要取决于这团水所在的位置，以及它初始时期的温度。

如果这团水处于离恒星很近的地方，因为恒星的加温，水球表面的温度会很高，因此会维持液态。这样的话就与没有陆地的地球无异。一部分水会蒸发。由于这个水球已经具有地球级别的质量，因此自身的引力已经足够将这些蒸发的水蒸气束缚在自己的周围，从而形成由水蒸气构成的大气层。有人提出不具备磁场的水球，其大气会被太阳风吹走而不够稳定。如果这样的话，请参考金星、火星和土卫六--他们都没有全球磁场，但太阳风的力量或许会削弱他们的大气，却不能将他们完全剥夺。如果时间足够长的话，表面的水会慢慢光致分解，变成氢和氧进入大气层。[注4]由于氢很容易被太阳风带走，时间久了，这个水球的大气层里就会富含水蒸气和氧。会有正常的风、大气环流、洋流和云雨。如果他的位置处于恒星的宜居区，甚至会有孕育生命的环境。[注5]

但如果他距离恒星太近，表面的水会进入沸腾的状态。于是你看到的这团水球的表面就会是一团开水。沸腾的水形成水蒸气的大气层，并迅速被太阳风带走。由于表面的高温，外层的液态水也会变成超临界流体。[注6]

*热木星HD 209458b的想象图。星球表面的氢正在被太阳风吹走。如果这团水距离恒星足够近，看起来也会是这样的效果。不同的是，被太阳风吹走的将是水蒸气。

反之，若这团水距离恒星太远，甚至漂浮在星际空间中流浪，它的表面将不会有足够高的温度。在这种情况下，表面的水将会凝固，变成厚厚的一层冰。

*木卫二就是这种状况的一个典型例子。距离太阳遥远的木卫二，表面下上百公里都是水。但因为得不到阳光的加热，这层水的最外层都是凝固的冰，厚度可能达到10公里以上。

不过，这样的前提是这团水被放到宇宙之中时，温度本就很低。因此内部的热能很小。但如果这团水在一开始已经有了足够高的温度呢？

这种时候，这团水的表面就不会凝固了。来自水深处积累的热能，会慢慢的加热表面，使他在足够长的时间里维持液态。同时，由于重力的作用，水球的内部也会逐渐释放出一些热能。这些热能足够表面的水维持液态非常长时间。

同时，如处于宜居区的水球一样，表面的水也不会直接和真空的星际空间接触，而会有一部分挥发出来，形成水蒸气的大气层。由于缺少阳光的影响，这个大气层不会分化成分，而会一直维持这样的状态。

实际上，这样的巨大水球并不是不存在的。宇宙里存在一种很类似他的星球，就是迷你海王星。

*系外行星系外行星格里泽436b就是一个典型的迷你海王星。他的内部结构显示出了固体核心->超临界流体（于图中是water compressed into solid层，代表因为高压而转换物态的冰（如果存在，谢吴易易君提醒）和超临界流体）->水->气体大气的典型结构。不同的是，他的成分并非单一的水，而还含有诸如氢、氦、氨等多种元素和化合物。

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其实严格讨论的话，题主给的起始条件仍然是不够的。比如这团水的初始温度是多少，会直接影响到水内部的结构分化。温度高和低会产生可能完全不同的结果。一般的行星质量体形成时都会因为构成自己的物质温度而具有自己的初始温度。但这样一团凭空冒出来的水……这温度是可以随意脑补的，您要是来了一盆1亿度的水蒸气（应该已经解体成氢氧的等离子体了），那这堆东西或许连稳定构成一个星体都是不可能的。

此外还有初始角动量。这决定这个水球会不会有自传及自转的速度。当然没自转的话潮汐力也会让他转起来。但是如果自转很快的话，星体的赤道部分会因为离心力而拉长，这样的话又会影响到星体内部的压力。

一开始想这个答案的时候，基本就是简单的按照流体静力平衡会形成球体作为前提，然后根据压力随深度增加，水的物态随之变化来分析的。同时参考了一下冰巨星的结构模型（毕竟现实中冰巨星最接近这个大脑洞了）。没有经过计算，因此不是很严谨。然后，欢迎讨论呀^_^
/*******************************注释的分割线***************************/
[注1]：体积足够大的星体，自会因为自身的引力收缩成球形。原理可以参看流體靜力平衡
潮汐力的话，需要第三方天体的出现才会对星体的形状和内部对流产生影响，极端情况下，甚至会使星体变成卵形，或者直接解体（进入希洛极限）。而在地球轨道上，对应着太阳这么大的天体，潮汐力的影响真的可说是微乎其微，否则的话在潮汐力弄死我们之前，我们也早就变成人肉BBQ了……

当然，如果你非要说这团水球起始的形状是个哑铃型……好吧，当我没说，咱们来聊聊世界和平吧。
[注2]：超临界流体是物质的一种高能物态，在这种状态下，流体的表现会同时具备液体和气体的一些特征。对气体和液体施以高压和高温，当温度突破临界温度，压力突破临界压力之后，就会变成超临界流体。具体的可以参见wiki上的说明：超臨界流體
[注3]：Phase diagram of water and ice
[注4]：这里要说一句。虽然水的热稳定性很好，但是化学键这东西不是无敌一样的存在，光的能量（特别是紫外线）足够将它打破，使他还原成氢和氧。更不必说任何大气分布不均导致的局部特殊情况出现。当然这种分解速度会很缓慢，比起经过催化剂进行的化学反应慢得多。但是有一个前提：如果时间足够长。在实验室里无聊的做一天实验也看不到几个分子分解，可是100万年过去，这种速度已经足够积累到让大气成分发生改变了。而对于地质年代来说，这只不过是一眨眼的事。

[注5]：关于大气环流和洋流的形成，这可以被认为是受热不均的巨大物体上为达成热平衡而自然发生的现象。

直接借用下曾加君的图吧：

如图所示，星体是一个球形，而热源（光）只来自一个方向。所以我们可以注意到，被阳光直射的部分温度显然会高，而接近昼夜分割点的位置温度会低。这样就构成了温度差。有了温度差会如何呢？当然是进行热交换来达到热平衡啊。

如果这个星球是一个没有大气的固体星球，这样的热交换也就是通过地表传热来进行了。但如果是在由流体构成的星体上呢？

不用问，一定是靠流体循环来实现热交换了。毕竟，流体和高比热容的话，效率可是要高很多了。

而这样的流动（大气的流动和表面液态水的流动）就构成了大气环流和洋流。而且因为没有地球上的陆地做干扰，天气系统和洋流的形式会更简单，就大气环流来说，会比较类似气体巨星。如木星：

[注6]：表面形成超临界流体的温度来自太阳的加热。当距离太阳非常近的时候，星体表面的温度可以被加热到非常高。如水星，表面温度可以达到700K（400C°以上）。在一些已知的系外行星上，温度甚至可以达到2000C°。

而形成超临界流体的压力来自沸腾的水。原理类似锅炉。