梁子俊 百科知识 不可再生资源有哪些(地球地质自然形成基本元素简介)

不可再生资源有哪些(地球地质自然形成基本元素简介)

是什么使得历经了几亿年才创造出来的物质被浪费在了派对气球上?

数亿年来,地球表面下积累着一种自然资源,它在人类社会的一些重要的科学和医学中发挥着关键作用:从核磁共振成像仪到超导电性、到粒子加速器、再到创造地球最强的磁场。没有任何已知的物质可以替代这种资源,这是真正不可替代的。

同样,我们也没有什么方法来合成这种基本元素,我们只有地球地质历史上自然形成的物质。这个资源是什么呢?自然界最轻的惰性气体——氦。但我们却不是因为急需的医疗和科学用途而开采、存储和分配这些资源,而是挥霍在吱吱作响的气球上。这也是为什么要停止浪费的原因。

氦——这个正被我们肆意挥霍的重要不可再生资源

在美国天然氦储量丰富的地方,形成了一个广阔的氦工厂和管道网络。但如果我们不保护它,未来就注定要生活在一个氦资源贫瘠的国家。而且,需要数亿年地球才能自然地补充它的氦储备。

当氦在地球上被发现时,它独特的性质便即刻为它提供了无数的科学用途。它比空气轻,所以可以用于浮升甚至悬浮;它不活泼也不易发生反应,所以可以在高温和富氧的环境下使用而不会有爆炸的风险;声音在其中的速度是在空气中的三倍,这就有了声学中的应用。

它最重要的性质也许是:在标准大气压和低温条件下,它会液化但不会固化,使其成为粒子加速器、核磁共振成像仪和超导体的终极冷却剂。在足够低的温度下,氦会成为一种超流体:一种非常罕见的没有摩擦和粘性的物质状态。在运动中的超流体没有能量损失,将永远保持运动状态。

氦——这个正被我们肆意挥霍的重要不可再生资源

氦独特的极低温条件下的液态特性和它的超流体特性,使得它更适用于一系列的科学应用,是其他一系列元素、化合物不可比拟的。超流体的氦是滴落状态的,因为没有摩擦力的阻碍它能沿容器壁向上流动、溢出,这是个自发的过程。

虽然氦是宇宙中含量第二丰富的元素,但在地球表面却极为有限。它位于元素周期表的第二位,由于最初是通过分光镜在太阳上发现的,所以以古希腊太阳神赫利俄斯(Helios)的名字命名。直到1882年,我们才在维苏威火山喷发的熔岩中发现了同样独特的光谱线。

几年后,科学家们用化学的方法处理火成岩,将惰性气体从原子中分离出来,从而在实验室中分离得到氦。很难想象,这个在宇宙中如此常见的元素,在地球上却这样罕见,但只要通过一点点科学的了解,就能直到是为什么。

氦——这个正被我们肆意挥霍的重要不可再生资源

现代高场强的临床核磁共振扫描仪的磁场强度可以达到3T,这个强度只能通过超导磁体来实现,而液氦是制作超导磁体的必要物。

在太阳系的早期阶段,氦元素非常丰富。气体组成的巨大分子云坍塌、破碎,形成了我们的太阳系和行星,其中大部分由氢(70%)和氦(28%)组成,其他元素只占一小部分。大部分物质被引力吸引到中心,最终形成了太阳,剩下的大部分物质分布在一个原行星盘里。

当行星开始演变成型时,重力将所有的元素包括氢和氦吸引到那些巨大的团块中。由于密度的作用方式,较重的元素下沉地核,较轻的元素则在地壳和大气的顶层盘绕。在气态巨行星上,有足够的质量来容纳氢和氦,但它们在地球上恐怕没有立足之地。

氦——这个正被我们肆意挥霍的重要不可再生资源

根据原行星盘的图解,行星和星子首先形成,当它们形成时会在盘上产生“间隙”。一旦中央恒星变得足够热,它便开始向周围的原行星系统释放最轻的元素。像木星和土星这样的行星有足够的引力可以留住氢、氦等较轻的元素,但像地球这样质量较低的行星则做不到。

氦气比构成地球大气层的所有气体都轻,所以它会上升到外逸层的最顶端:地球大气最稀薄的地方与真空的交界处。在如此高的海拔的地方,来自阳光或太阳风粒子的强烈反冲足以推动一个氦原子超过它的逃逸速度,使其永远地离开地球。所以尽管地球是由大量氦元素构成的,但在很久以前氦元素就被大量的喷射出去了。目前大气中剩下的氦元素含量只有微不足道的0.00052%。

但相反的是,地球上自然形成氦的地点是在有着最重的元素的地球内部的深处。

氦——这个正被我们肆意挥霍的重要不可再生资源

通过地震学和地球物理学的观测,地球内部的岩层得以被明确定义和理解。在地壳深处,存在着大量的镭、钍和铀这样的重元素。它们的放射性衰变产生了大约50%的地球内部热量(另一半来自于重力收缩),也正是这些衰变,在地质时间尺度上增加着地下氦的储备。

虽然构成地球的大多元素如铁、镍、硅、氧、硫、铅等元素都是稳定的,但也有几个例外,它们在离地核越近的地方含量越多。镭、钍和铀这类元素的含量虽然只占地球的不到1%,却产生了地球内部能量的一半。

这些元素是通过爱因斯坦的最伟大的方程——产生能量的。它们的原子核质量非常大,且不稳定。只要有足够的时间(半衰期),它们就会发生放射性衰变,微小的一部分质量转化为能量,能量可以根据精确地计算出来。最常见的衰变方式是衰变:发射一个由两个质子和两个中子组成的粒子。

氦——这个正被我们肆意挥霍的重要不可再生资源

衰变是一个较重的原子核放出一个粒子(氦核)的过程,从而产生一个更稳定的结构并且释放能量。当这种衰变在地下深处发生时,粒子可能会与两个电子重新结合,在足够长的时间内建立起中性氦的储备。

如果你知道元素周期表,那可能会意识到氦核与一个粒子是相同的。尽管这些不稳定的原子核多数的半衰期在10亿年或更长,但地球已经有40多亿年的历史了。在地球深处,这些重元素的衰变意味着我们的星球是一个非常缓慢的氦工厂。

在人类生命周期的时间尺度上,放射性衰变产生的氦完全可以忽略不计。地下产生一定的可观质量的氦往往需要数亿年的时间。它们形成在这些重元素的矿脉沉积的地方,产生巨大的氦地下储存库。一旦它被提取出来,我们就得再等上几亿年的时间来等这些储存物质自己补充。

氦——这个正被我们肆意挥霍的重要不可再生资源

这是位于德克萨斯州阿马里洛的一个氦提取设备。任何离开工厂的氦都会飘浮到大气层的顶部,在那儿可能会与阳光相互作用,最后进入星际空间。

那么,我们要如何管理这项资源呢?答案是:“没有办法。”当我们对液氦的依赖在日益增加时:医学诊断涉及到的超导磁体的磁场环境,液氦的使用变得更加常见,但我们对地球上不可替代的氦储备却没有长期计划。国家(美国)氦储备(局?)由于只能再维持两年的大量氦储备而面临被拍卖的风险。

全球的氦形势也不太乐观。在全球范围内只有14家工厂开采和提炼氦,其中一半在美国。我们现在正经历着21世纪以来的第三次全球氦短缺,也是自2016年在坦桑尼亚发现一个巨大的天然氦储存库以来的第一次。大量的氦被轻率地浪费在像气球和生日派对等一次性活动上的现状是没有办法维持的。

氦——这个正被我们肆意挥霍的重要不可再生资源

美国物理学会和美国土地管理局2016的一项研究显示,实验室用氦的价格从2010年的每升5美元涨到了2013年的每升逾16美元。

与此同时,商用氦的价格也在上涨。然而氦价格的上涨的影响不仅在于科学和社会方面,还包括

  • 核磁共振成像和其他医疗诊断价格上涨。
  • 人类将在不到200年的时间里耗尽地球上所有的氦资源,那些依赖液氦进行基础科学研究的成本将不断增加。
  • 并且更令人唏嘘的事实是:联邦氦供应的私有化计划只会加速这种宝贵的不可替代的资源的浪费。

相反,唯一激起水花的是派对城这个被认为是最佳购买氦气球品牌,它因为氦气短缺而闭了5%的商店。

氦——这个正被我们肆意挥霍的重要不可再生资源

每当我们往一个气球里灌满氦气,实际上就是让气球内所有的氦原子背负逃离地球大气层的命运。。在短短的几十年里,我们就耗尽了数十亿年才积累起来的自然资源。

每当你用氦气充满一个气球,你就让在地球上形成了数十亿年的约3×10^23个氦原子离开这个星球。人类作为地球上的一个物种,正在通过几十年的滥用来破坏我们星球的氦产生的整个历史。让科学和医学研究、应用变得更加困难与昂贵;加剧了全球氦气短缺,这已经已经处于可怕的形势中了。

相比之下,其他的像开采其他星球或是从大气中提取而得到氦的方式都是非常昂贵的。我们在地球上只有一次机会来提取和保存地表下的氦。我父母因轻率而失去的每一个原子都是另一个未来我们将被迫以一种更困难和占用更多资源的方式才能获得的原子。氦在宇宙中是丰富的,但在地球上却极为稀有与珍贵。我们是时候做些什么来保护它了。

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