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文章转载自“格致论道讲坛”

“几年前的炎天,我追随院士天山南北行到新疆考察水资源。效果车开到半路上就不能走了,需要停下来。缘故原由是前面山洪暴发,有洪水过来了。”

庞忠和

中科院地质与地球物理研究所研究员

许多小同伙小时刻都喜欢玩吊水漂。用个石子,在水塘上面打一下或者用石子在水井内里“叮咚”一下,我们就可以投石问水。这是我们小时刻玩的事情。

不知不觉我和水打交道已经40年左右了,以是这一辈子就成了一个“吊水漂”的。今天我和人人分享吊水漂的故事,把它说得对照神秘一点儿就是破解水循环的密码

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什么是水循环?

为什么要讲水循环?现在全天下最热的话题是气侯变暖、全球转变。人人一样平常以为的全球转变就是气温升高一两度。有人会说:“在家把空调温度调一下不就解决了嘛?哪有那么恐怖。”

实在,气侯转变真正影响人类生涯和人类福祉是通过影响水循环而起作用的,以是我们必须研究水循环。

水循环转变以后,会发生许多很恐怖的事情。好比,澳大利亚的山火、耐久的干旱。

另外,新疆是天下上三个最干旱的极端干旱区之一,可是新疆现在时不时会发生洪水征象。另有人人熟悉的南北极冰盖的融化,北极熊已经快要失去它的家园了。这些现实上都是在气侯转变的影响下,水循环发生了改变。

举个例子,北京2012年7月21日特大暴雨造成了洪水灾难,使得这个都会发生了特大洪涝,造成了许多生命财富的损失。它是怎么发生的?我们需要回覆这样的问题。

水循环实在不是一门新的学问,它已经是人类很古老的一门学问。从大的名目上讲,水循环是海面由于太阳的辐射导致蒸发,蒸发的水汽到了大气中,介入大气的水循环。

水循环向内陆不停地循环,不停把水汽运移到大陆,再以降雨的形式在差其余地方落下来,在地面上形成径流、湖泊和河流,然后再渗入到地下含水层。

经由这些循环之后,千流归大海,这是我们看到的地球外面的水循环历程。水循环历程看起来很简朴,现实上照样有很庞大的纪律。

在图片中我们可以看到像火山的冰川,实在火山喷发的时刻会从地球深部带出地球内部的水,这就是水循环的大的名目。

在分子层面上看,水就是两个氢加上一个氧。但从原子层面上来看,氢原子和氧原子现实上差异很大。若是我们举行排列组合,把差其余氢原子和氧原子组合起来,在原子层面上可以组合成十几种差其余水。氢有氢1、氢2、氢3,氧有氧16、氧17和氧18。

在这个层面上,我们举一个对照夸张的例子。若是重同位素对照多的水和轻同位素的水相比,质量差异是很大的,一头儿是大象,一头儿是老鼠。我们可以行使这个差异来追踪水循环,明白它的机理,掌握它的转变,展望它的未来。

这张图展示的是原子的水循环。它的名目和前面讲的是类似的,但我们在云上都标上了它的原子和同位素。

这个历程的特点是什么?质量对照大的同位素在降雨的历程中都市损失掉,它们会先掉在地面上,留在云团里的都是一些质量对照小的同位素。这样就越来越轻,随着它们爬坡上山,最后到达喜马拉雅山。以是能够登到山顶的都是小个子,即质量对照小的原子。

这其中就有一个纪律:差异地方下的雨的同位素是纷歧样的。我们可以行使这个纪律可以来追踪水循环。

这个历程中另有一部门是放射性的同位素,水当中有一个氚,氢原子有氢1、氢2和氢3。

人人知道有一些把英文翻译成中文对照漂亮的例子,好比适口可乐,另有翻得对照好的就是氕、氘、氚。气字下面放一撇、两撇和三撇,氕、氘、氚就是氢1、氢2和氢3。氢3是放射性同位素,像个时钟一样,它可以辅助我们跟踪地下水,掌握它的岁数。

什么是地下水的岁数呢?地下水从大气到达地下时最先,直到采样拿到它,所经由的时间就是它的岁数。有了岁数,又有了循环历程,我们就解开了水循环的循环机理,这个就是要解的水循环密码。

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破解水循环的原子密码有什么用?

解密码有什么用呢?好比,我拿出来两个烧杯,一个烧杯里装的是来自 *** *** 的降水,即自来水,另外一个是来自陕西西安市的自来水。

我们闻也闻不出来,喝也尝不出来它们划分来自那里。这就好比是左边是5100的水,右边是农民山泉,我们也是尝不出来的。

若是把它们的同位素剖析一下,我们就可以马上得知,哪个水是5100,哪个水是低的平原上出来的水,就能够把它们区别开来了。

这个原理有什么用处?好比,我想识别一下葡萄酒,有人说这是产自正宗法国波尔多的葡萄酒,若是我嫌疑这个葡萄酒产自其他地方,好比南美的智利或北欧,我就可以用同位向来对照、识别一下。

这个原理还可以用来破案。我们听说过这样的例子,有一种信封炸弹,从制造炸弹的水的蛛丝马迹中,追到了原子,把案子破了,以是做这个事情是很有用的。

我们怎么做这个事情呢?我们要先通过监测来掌握图谱,我在国际原子能机构维也纳总部做过几年同位素水文学的专家。全球的观察事情也许有400多个站点,经由延续快要60年的观察,已经掌握了全球的水的同位素。靠近赤道的水,重同位素对照多;靠近南北极的水重同位素对照贫化。

这样我们就可以拿这个图谱来识别差异地方的水。在北京的7.21洪水发生以后,我们觉察观察很有用,于是就设计了一个在北京市的高密度的观察网。这个观察网有300多个点,我们可以实时跟踪身边的水循环转变。

现在我们国家的图谱已经做出来了,从南往北随着纬度增添,水的重同位素是不停贫化的。我们知道差异地方的水的同位素因素,不外青藏高原是个破例,由于它的高层稀奇高。青藏高原的水的重同位素很贫化,真正能够爬到喜马拉雅山山顶上的都是些小个子。

我们用什么样的设施呢?我们用先进的测试仪器,即激光测试仪器来测水中的氚,我们的实验室在天下上是排位对照高的。

我们现在有异常好的做水循环解码的核武器。这是中科大的卢征天教授团队研发的新型手艺,能够测水当中消融的惰性气体氪、氩。通过惰性气体能够给地下水定岁数,这个岁数可以从几年一直到100多万年,这就是我们的新手段。

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地球上有几种水?

我有一个美国同伙,他是美国科学院的院士,现在已经去世了。有一次他在国际大会上做主旨讲述,讲到他一生的科研追求就是想知道地球上到底有几种水?现实上现在看来,让我讲的话地球上就有三种水。这三种水可以说是亲水,即父亲级的水。

第一种水来自信气,即天上的水。从降雨、降雪到地表的河流、湖泊,再到地下水、含水层,这些都是大气水。第二种水来自伟大的海洋,海洋占地球外面四分之三的面积。第三种水来自地球内部,随着火山喷发上来的岩浆水,固然另有许多没上来的。

自然界遇到的水,就是这三种水经由差异比例的夹杂,加上它们自身的演化。

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若何解码差其余水循环?

下面我跟人人分享几个例子,告诉人人我们怎么解码差其余水循环?

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我们先举个大气水的例子,就是北京7.21洪水。北京7.21洪水很稀奇,不到24小时降雨量到达了460毫米,而北京常年的年平均降雨量只有600毫米。一昼夜降了跨越50%的水量是什么缘故原由呢?

我们正幸亏北京房山石花洞那里捉住了它,每隔15分钟一次采样,纪录下来它的同位素演化历程,做成了模子图。

我们把降水量的转变、温度的转变和同位素的转变举行对比,用理论模子做了盘算,我们觉察是由于两股水汽在这里夹杂了。一股是西太平洋的水汽,另有一股是来自印度洋的水汽,正幸亏那一天聚在了一起。那时的评价是,这是60年才发生一次的降雨事宜。

我们再来看一下地表水。几年前的炎天,我追随院士天山南北行到新疆考察水资源,效果我们车开到半路上就不能走了,需要停下来。

为什么要停下来呢?缘故原由是前面山洪暴发,有洪水过来了。有的老院士和我讲,要不是在这儿亲眼瞥见,你和我们说若干遍,我们都不会信托新疆会有洪水。我们都不信托,然则真的发生了。

它为什么会发生呢?为领会一解这个密码,我们就追踪到冰川河、到托木尔峰,托木尔峰是7000多米的高程。我们到冰川前沿去考察,在冰川前沿搭帐篷,住在这个地方,这可以说是与狼共舞

为什么叫与狼共舞?由于那里海拔很高,自然条件很差、很冷落,同时另有野生动物,有狼、熊等这些动物。

由于我岁数对照大一点儿,就给我单唯一个小帐篷。他们20小我私人一个大帐篷抱团取暖和,可以相互照顾。我一小我私人睡小帐篷,虽然是给我优惠待遇,可我到了午夜却睡不着。

我睡不着的缘故原由不是由于睡袋不温顺,而是我不扎实。我总以为帐篷周围似乎总是有个大动物在那里嗅,呼哧呼哧在闻人的气息。

然则只有这样,我们才气够摸到冰川河的脉搏。摸到了以后我们名顿开,河水里的增量来自于冰川的融化。

冰川的融化在南疆、北疆差异很大,南疆对气侯转变的反映稀奇敏感,响应更强烈,新疆降水和气温的转变都很大。

我们再追到天山一号冰川,一号冰川在已往50年退缩了差不多15%左右。它原来是个连在一起的冰川,直到现在就分成两个。这就是全球变暖,气温升高以后冰川融化退缩的效果。它一融化,下面的出山径流增添了,不应有水的时刻来水,水太多就造成了洪水。

领会清晰之后,我们就给新疆做了一个建议,把多余的、融化的水放到地下存起来,建一个地下水库。现在这个已经做起来了,听说还要向西北的陕西推广,这是应对气侯转变的一个设施。我们需要先解码。

再和人人分享一下解码地下水地下水是我们的主攻工具,由于地下水在地下,看不见摸不着。

我们生涯在北京,在南水北调的水进京之前,我们每喝四杯水就有三杯来自地下。我们异常依赖地下水,然则在北京我们又是属于很幸运的一族人。

为什么呢?由于我们喝的水都是几千年、上万年迈祖宗给我们留下来的水,经由多年的净化,水质异常好。

现在南水北调的水进京以后,也许有四分之一的水是南水北调的水了。现在有一个新的形势的改变,解码的义务就更重了。

这是全球干旱区的漫衍,这些地方是研究地下水的重点区域。

再讲一个黄土水经注的故事。在郦道元的《水经注》中,他写了2000年的水的变迁历史。我们在黄土高原做水,黄土当中的水基本上也做到了2000多年的故事。如下图,黄土区入渗是大气入渗下来到达地下水位。

我们在西北区域做生态修复,发现陕北的效果异常好,现在陕北已经是绿色一片了。我前不久到延安去了一趟,我感应稀奇震撼的是,黄土坡上竟然出青苔了。我以为这太好了,可是再往北一点儿生态修复就很难。

那里的树就是长不大,会长成老头树,即每年叶子绿一下,然后又不行了,枝干长不起来。这是什么缘故原由呢?基本缘故原由就是在这个土体当中的含水量的问题。

若是退耕还草、还林还在一些不适用的地方,那里的地下水位就会下降。我们把这个弄清晰就可以顺应。

我们把黄土里边的地下水岁数做出来,发现这里地下水的岁数是秦始皇时代的,以是黄土水经注差不多是写了2000年,对我们生态修复的关系异常亲热。

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水循环解密手艺的应用

那么,既然有这么强的气侯转变,我们该怎么应对?我们应对的设施是用更多的可再生能源,其中地热能就是稀奇清洁、稳固和名贵的清洁能源。我们在天下去解码找地热水,找到了一些对照富集的地方。

最近对照有意思的征象是在青藏高原,青藏高原的喜马拉雅的构作育是印度版块和欧亚版块碰撞,器械有两个拐弯的地方,这两个地方叫组织结

组织结已往被以为是没有高温地热的,可是现在我们发现都有高温地热。西边的 *** 和川西都有高温地热,这里是热火朝天的。

新疆最西边的地方是塔什库尔干。塔什库尔干原来只有60度的温泉,可是我们去观察解码以后,觉察深部有高温。于是新疆自治区延续勘探,效果就在这个地方打到了。

我们推算的热储温度可以有250度,他们现在已经打到了井口144度的异常名贵的热水,未来当地用于供暖行使会异常好。

然后我们到了陕西的关中盆地,发现这里不仅地热资源很厚实,氦气资源也很厚实。那么缘故原由是什么呢?

我们来做这个解码,发现这个地方地下水的岁数可以老练130万年,这是我们国家地下水里测到的最老的岁数。我们用最新的方式和中科大的卢征天先生团队互助,测出来了这样的岁数。这就能够注释,为什么这里地热资源厚实的同时氦气又很厚实。

我们解码的事情是面临全天下的,我们还在起劲,想要熟悉岩浆水在什么地方?哪些地方有岩浆水?高温地热系统到底是不是都是岩浆水造成的?

于是我们就去天下四大地热带解码,先走环太平洋带,我们叫做火环之旅。环太平洋的火山四处都是,在这里我们找到了岩浆水。

岩浆水是一个国际互助项目,是我在维也纳的时刻认真的一个项目,有10个国家、20多个地热区一起介入来做这个事情。

从图片中可以看到,在这里打井开发地热已经靠近火山口了,钻井钻着钻着后面火山就喷发了,那就要赶忙跑。人都跑掉了,钻机就受到了损失。

现在人类开发地热已经到了紧挨着火山口的地方,恨不得直接去打岩浆。但危险性很大,同时流体因素也对照庞大,水循环解码殉国务就更艰难。在这个地方,我们逮着了岩浆水。

岩浆水最早的解码工具就是下方左图中的这条线,这是60年前Hamon Craig设计的降水线。

经由这么多年的起劲,我们已经把1条线酿成13条线,有了右边这张图。

我们基本上把水循环当中的密码的基因图谱做出来了。中国学者在天下上发文章的数目和被引用的数目在已往20年里指数增进,对天下的孝顺逐渐增大。

我们也介入了国际水文科学协会应对气侯转变的水文设计。在国际原子能机构的资助下,由我们中国牵头,正在开展一个更大尺度的水循环解码,辅助那些需要辅助的国家。这件事情我们连续做了多年。

中科院地质地球所在健德门北土城西路,旁边有一条河叫小月河,小月河很美。在这个地方容易培育对水的亲近感、对水的情怀,以是我们这个团队在连续地追踪水循环,力争破解种种庞大的水循环的密码。

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