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碳,从宇宙到地球

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碳 从宇宙到地球
作者:真果少年糕
校稿:朝乾 / 编辑:蛾
上个月,由詹姆斯·韦伯空间望远镜拍摄的(de)首张照片——星系团SMACS 0723向大众公开。这张照片中包含了数千个星系,是(shi)迄今为止最清晰的(de)遥远宇宙红外图像。
其中有些光束经历了数十亿光年,才来到我(wo)们(men)面前
(SMACS 0723,图:壹图网)▼韦伯空间望远镜拍摄的(de)斯蒂芬五重星系(图:wiki)▼新晋空间望远镜“韦伯”强大观测能力的(de)背后,是(shi)尖端技术的(de)加持。其中,由含碳的(de)聚酰亚胺制成的(de)可折叠遮光板,能阻挡住来自太阳的(de)炙热光线;主镜背板上的(de)含碳复合材料,也承担着仪器的(de)部分重量。由此可见,碳为韦伯空间望远镜的(de)太空之旅,贡献不少。
韦伯空间望远镜长这样(底图:wiki)▼韦伯空间望远镜的(de)遮光膜(图:wiki)▼碳从宇宙来
相信很多人(ren)第一次了解碳元素,是(shi)在那张中学时背到头疼的(de)元素周期表里。这张表最早由俄国化学家德米特里·门捷列夫于1869年独立出版,元老级的(de)碳元素也位列其中。
考试必考,不背不行(图:shutterstock)▼碳元素位于元素周期表第二行的(de)IVA族,通常用C表示,原子序数和原子量分别为6和12.011 u。碳原子最外层有四个能键合的(de)电子,碳碳间形成共价键十分方便且易成链,这让碳拥有很多我(wo)们(men)熟知的(de)同素异形体。
碳的(de)同素异性体主要包括无定形碳、过渡碳和晶形碳三类。例如由多层六角形碳原子环组成的(de)石墨、四面体结构的(de)金刚石和球状的(de)富勒烯等,都属晶形碳范畴。
同素异形体,是(shi)指由同样化学元素组成
而结构形态却不相同的(de)单质▼除了能自己愉快玩耍,组成不同的(de)同素异形体外,碳也能与氢、氧等元素组合,形成千姿百态的(de)有机化合物。据统计,目前已记录的(de)纯有机化合物就有近一千万种。这些有机化合物从复杂的(de)微观结构逐步累积成具体的(de)宏观构成,最终呈现出世间万物。
碳元素是(shi)世界上形成物质种类最多的(de)元素
说它(ta)是(shi)这颗蓝星上的(de)“建(jian)筑师”,毫不为过
(横屏,图:shutterstock)▼不论在非生命的(de)生铁里,还是(shi)千变万化的(de)有机体中,都能找到碳的(de)身影。可以说,碳是(shi)这颗蓝色星球上当之无愧的(de)主宰者。那么,如此有实力的(de)碳,究竟是(shi)从哪儿来的(de)呢?
答案当然是(shi)宇宙。目前,大爆炸宇宙论是(shi)被人(ren)们(men)广泛认同的(de)一种宇宙起源假说。大爆炸宇宙论由比利时宇宙学家勒梅特在1927年首次提出。
宇宙大爆炸,一切便从那时开始(图:NASA)▼该假说认为宇宙是(shi)由一个密度和温度都无限高的(de)奇点,在大约138亿年前的(de)一次大爆炸后膨胀形成的(de)。之后,美国天文学家哈勃计算出星系的(de)红移量与星系间的(de)距离成正比的(de)哈勃定律,推导出宇宙膨胀说,进一步从反向验证了大爆炸宇宙论。
在奇点,目前所知的(de)物理定律无法适用
例如黑洞的(de)中心,以及在大爆炸之前的(de)初始奇点
(超大质量黑洞,图:wiki)▼然而,这次大爆炸虽然威力大,但产物并不多,仅制造出了氢、氦、锂(可能还有铍)这几种化学元素。对(dui)生命有重要意义的(de)碳,在那时并未出现。
这主要是(shi)因为碳原子核的(de)合成需要通过3颗α粒子(氦原子核)几乎同时互相撞击的(de)3氦过程而形成。当温度达到约1亿开尔文时,这些α粒子才能通过铍-8屏障快速融合,进而产生大量稳定的(de)碳-12,否则只能产生不稳定的(de)锂-5和铍-8,导致原子核迅速衰败缩小。
3氦过程,是(shi)一组核聚变反应
通过这些反应,三颗α粒子转化为碳核(图:wiki)▼不幸的(de)是(shi),大爆炸后宇宙不断碰撞,温度和密度都不断下降,远达不到3氦过程形成稳定碳元素的(de)反应条件。
随着时间(shijian)推移,温度回升,宇宙中的(de)尘埃逐步形成原子、原子核和分子,并复合成气体,逐渐凝聚成为恒星和星系的(de)老家——星际云。
说到这里,来看看鹰星云的(de)“创生之柱”
绚烂至极,壮丽至极(图:shutterstock)▼根据星云假说,这些星际云碎片在各种因素作用下向云核中心坍塌,进而形成原恒星。之后星际云中心继续发生核聚变反应,生成主序前星。我(wo)们(men)所在的(de)太阳系,最初也是(shi)这样开始的(de)。“富含金属”的(de)恒星,向太空中喷出它(ta)们(men)的(de)产物,碳元素也在其中。
地球所在的(de)太阳系,只是(shi)银河系中极其渺小的(de)存在
(底图:NASA shutterstock)▼目前,在彗星、行星大气层、太阳以及其他(ta)恒星中,都能发现不少碳的(de)身影。这些在宇宙中游荡的(de)碳,又是(shi)如何来到地球的(de)呢?
碳到地球去
有研究表明,地球上大部分的(de)碳很可能是(shi)在太阳系原行星盘形成并变暖后,由弥漫的(de)气体云和微小固体粒子组成的(de)星际介质所积累起来的(de)。另外,在太阳系形成的(de)最初一百万年内,小行星的(de)不断撞击,也为地球上水和碳的(de)到来,提供了来源途径。
然而,费劲千辛万苦来到地球上的(de)碳,起初并未被人(ren)类所察觉。直到闪电使木材燃烧,人(ren)类学会生火后残留下木炭,我(wo)们(men)与碳元素的(de)故事才刚刚开始。
人(ren)类与碳的(de)不期而遇,永久性地改变了历史
(图:shutterstock)▼1722年,法国化学家拉瓦锡在玻璃钟罩中进行了金刚石和木炭的(de)燃烧试验,发现二者试验结果没有差别,证明了透亮的(de)金刚石和黝黑的(de)石墨内是(shi)同一种物质。
1789年,拉瓦锡以试验结果为依据,在其编著的(de)《化学基本论述》一书中,首次命名了这种化学元素。
以金刚石和石墨为例
碳的(de)各种同素异形体有著两极化的(de)异常特性▼20世纪初,随着西方近代化学传入我(wo)国,这种元素也有了它(ta)的(de)中文名字“碳”,成为诸多热词的(de)根基。被正名后的(de)碳,逐渐成为世界科学殿堂中的(de)常客。
从1960年美国化学家威拉得·利比用放射性C14进行地质年代测定,到2019年古迪纳夫、惠廷厄姆和吉野彰三位科学家将电池阳极材料由传统活泼锂转化成焦炭,克服了锂电池的(de)不稳定缺陷。以碳主题的(de)研究项目先后五次斩获诺贝尔奖,是(shi)所有元素中获奖次数最多的(de)。
就是(shi)说,许多科研大牛都喜欢拿碳做文章
(测试碳纤维的(de)拉伸强度,图:壹图网)▼碳元素不仅上得了领奖台,也下得到日常生活中。用来改良土壤的(de)生物活性炭,在竞技体育中使用到的(de)碳纤维,能制作电极的(de)玻璃碳,食品添加剂电化学检测技术中的(de)碳纳米管材料,富勒烯太阳能电池等,都已融入到人(ren)们(men)衣食住行的(de)方方面面。
从日常生活到科研技术,碳无处不在(图:wiki)▼除了从外部渗透到人(ren)类社会,碳也从内部不断改造着我(wo)们(men)的(de)身体。不论是(shi)维系体内物质运输和新陈代谢的(de)蛋白质,还是(shi)保障生命活动所需能量的(de)糖类,或是(shi)引导生物发育与生命机能运作的(de)DNA,都少不了碳元素作为基本架构。这些由碳作为基本碳链的(de)化合物,保障着生命体正常地生长和繁殖。
碳普遍存在于我(wo)们(men)的(de)身体,以及各种生物体内
大若鲲鹏,小若蜉蝣,莫不如是(shi)(图:壹图网)▼虽然在一些科幻作品中,硅基生物一直都是(shi)热门话题,不过目前尚未发现硅基生物存在的(de)证据。地球仍由以碳元素为有机物质基础的(de)碳基生物掌管,人(ren)类也是(shi)其中一员。可以说,如果没有碳,人(ren)类文明也不会存在。
碳元素在构成生命框架,维系生命体运行的(de)同时,也以碳循环的(de)方式,保障着蓝色星球的(de)正常运转。大气中二氧化碳被陆地和海洋中的(de)植物吸收,后通过地质、生物和人(ren)类活动,又以二氧化碳的(de)形式返回到大气中,形成碳循环。
循环往复,生生不息▼在碳循环中,碳元素在生物圈、岩石圈、水圈、土壤圈和大气圈中不断交换,并随地球运动循环往复,最终影响全球气候。随着工业化进程的(de)不断推进,“碳基生物”人(ren)类在全球碳循环中,扮演着越来越重要的(de)角色。
当碳基生物遇上“减碳大师”
进入工业时代后,人(ren)们(men)开始用煤炭、石油、天然气等化石燃料供能。化石燃料的(de)燃烧在方便我(wo)们(men)日常生活的(de)同时,也使得地层中积累几十亿年的(de)碳在短时间(shijian)内释放,影响全球气候。资料显示,最近150年来,大气中的(de)二氧化碳浓度已从280 ppm上升到 400ppm,全球平均气温也上升了约0.7℃。
作为影响大气中二氧化碳浓度的(de)重要原因,由碳固定和碳释放两个过程组成的(de)碳循环,已成为全球气候变化研究的(de)热点话题。其中,如何促进碳固定,减少碳释放以达到碳平衡,是(shi)碳循环中最核心的(de)问题。
如何走好(hao)这一步,也是(shi)实现碳平衡的(de)关键
(图:shutterstock)▼随着“双碳”目标的(de)提出和推进,可持续发展已成为社会经济发展中的(de)一大亮点。
封面图片来自shutterstock
END原标题:《每年,激增15亿吨》
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