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是什么使得歷經(jīng)了幾億年才創(chuàng)造出來的物質(zhì)被浪費在了派對氣球上？ 數(shù)億年來，地球表面下積累著一種自然資源，它在人類社會的一些重要的科學和醫(yī)學中發(fā)揮著關鍵作用：從核磁共振成像儀到超導電性、到粒子加速器、再到創(chuàng)造地球最強的磁場。沒有任何已知的物質(zhì)可以替代這種資源，這是真正不可替代的。 同樣，我們也沒有什么方法來合成這種基本元素，我們只有地球地質(zhì)歷史上自然形成的物質(zhì)。這個資源是什么呢？自然界最輕的惰性氣體——氦。但我們卻不是因為急需的醫(yī)療和科學用途而開采、存儲和分配這些資源，而是揮霍在吱吱作響的氣球上。這也是為什么要停止浪費的原因。  在美國天然氦儲量豐富的地方，形成了一個廣闊的氦工廠和管道網(wǎng)絡。但如果我們不保護它，未來就注定要生活在一個氦資源貧瘠的國家。而且，需要數(shù)億年地球才能自然地補充它的氦儲備。 當氦在地球上被發(fā)現(xiàn)時，它獨特的性質(zhì)便即刻為它提供了無數(shù)的科學用途。它比空氣輕，所以可以用于浮升甚至懸浮；它不活潑也不易發(fā)生反應，所以可以在高溫和富氧的環(huán)境下使用而不會有爆炸的風險；聲音在其中的速度是在空氣中的三倍，這就有了聲學中的應用。 它最重要的性質(zhì)也許是：在標準大氣壓和低溫條件下，它會液化但不會固化，使其成為粒子加速器、核磁共振成像儀和超導體的終極冷卻劑。在足夠低的溫度下，氦會成為一種超流體：一種非常罕見的沒有摩擦和粘性的物質(zhì)狀態(tài)。在運動中的超流體沒有能量損失，將永遠保持運動狀態(tài)。  氦獨特的極低溫條件下的液態(tài)特性和它的超流體特性，使得它更適用于一系列的科學應用，是其他一系列元素、化合物不可比擬的。超流體的氦是滴落狀態(tài)的，因為沒有摩擦力的阻礙它能沿容器壁向上流動、溢出，這是個自發(fā)的過程。 雖然氦是宇宙中含量第二豐富的元素，但在地球表面卻極為有限。它位于元素周期表的第二位，由于最初是通過分光鏡在太陽上發(fā)現(xiàn)的，所以以古希臘太陽神赫利俄斯(Helios)的名字命名。直到1882年，我們才在維蘇威火山噴發(fā)的熔巖中發(fā)現(xiàn)了同樣獨特的光譜線。 幾年后，科學家們用化學的方法處理火成巖，將惰性氣體從原子中分離出來，從而在實驗室中分離得到氦。很難想象，這個在宇宙中如此常見的元素，在地球上卻這樣罕見，但只要通過一點點科學的了解，就能直到是為什么。  現(xiàn)代高場強的臨床核磁共振掃描儀的磁場強度可以達到3T，這個強度只能通過超導磁體來實現(xiàn)，而液氦是制作超導磁體的必要物。 在太陽系的早期階段，氦元素非常豐富。氣體組成的巨大分子云坍塌、破碎，形成了我們的太陽系和行星，其中大部分由氫(70%)和氦(28%)組成，其他元素只占一小部分。大部分物質(zhì)被引力吸引到中心，最終形成了太陽，剩下的大部分物質(zhì)分布在一個原行星盤里。 當行星開始演變成型時，重力將所有的元素包括氫和氦吸引到那些巨大的團塊中。由于密度的作用方式，較重的元素下沉地核，較輕的元素則在地殼和大氣的頂層盤繞。在氣態(tài)巨行星上，有足夠的質(zhì)量來容納氫和氦，但它們在地球上恐怕沒有立足之地。  根據(jù)原行星盤的圖解，行星和星子首先形成，當它們形成時會在盤上產(chǎn)生“間隙”。一旦中央恒星變得足夠熱，它便開始向周圍的原行星系統(tǒng)釋放最輕的元素。像木星和土星這樣的行星有足夠的引力可以留住氫、氦等較輕的元素，但像地球這樣質(zhì)量較低的行星則做不到。 氦氣比構成地球大氣層的所有氣體都輕，所以它會上升到外逸層的最頂端：地球大氣最稀薄的地方與真空的交界處。在如此高的海拔的地方，來自陽光或太陽風粒子的強烈反沖足以推動一個氦原子超過它的逃逸速度，使其永遠地離開地球。所以盡管地球是由大量氦元素構成的，但在很久以前氦元素就被大量的噴射出去了。目前大氣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點是在有著最重的元素的地球內(nèi)部的深處。  通過地震學和地球物理學的觀測，地球內(nèi)部的巖層得以被明確定義和理解。在地殼深處，存在著大量的鐳、釷和鈾這樣的重元素。它們的放射性衰變產(chǎn)生了大約50%的地球內(nèi)部熱量（另一半來自于重力收縮），也正是這些衰變，在地質(zhì)時間尺度上增加著地下氦的儲備。 雖然構成地球的大多元素如鐵、鎳、硅、氧、硫、鉛等元素都是穩(wěn)定的，但也有幾個例外，它們在離地核越近的地方含量越多。鐳、釷和鈾這類元素的含量雖然只占地球的不到1%，卻產(chǎn)生了地球內(nèi)部能量的一半。 這些元素是通過愛因斯坦的最偉大的方程——產(chǎn)生能量的。它們的原子核質(zhì)量非常大，且不穩(wěn)定。只要有足夠的時間（半衰期），它們就會發(fā)生放射性衰變，微小的一部分質(zhì)量轉化為能量，能量可以根據(jù)精確地計算出來。最常見的衰變方式是衰變：發(fā)射一個由兩個質(zhì)子和兩個中子組成的粒子。  衰變是一個較重的原子核放出一個粒子（氦核）的過程，從而產(chǎn)生一個更穩(wěn)定的結構并且釋放能量。當這種衰變在地下深處發(fā)生時，粒子可能會與兩個電子重新結合，在足夠長的時間內(nèi)建立起中性氦的儲備。 如果你知道元素周期表，那可能會意識到氦核與一個粒子是相同的。盡管這些不穩(wěn)定的原子核多數(shù)的半衰期在10億年或更長，但地球已經(jīng)有40多億年的歷史了。在地球深處，這些重元素的衰變意味著我們的星球是一個非常緩慢的氦工廠。 在人類生命周期的時間尺度上，放射性衰變產(chǎn)生的氦完全可以忽略不計。地下產(chǎn)生一定的可觀質(zhì)量的氦往往需要數(shù)億年的時間。它們形成在這些重元素的礦脈沉積的地方，產(chǎn)生巨大的氦地下儲存庫。一旦它被提取出來，我們就得再等上幾億年的時間來等這些儲存物質(zhì)自己補充。  這是位于德克薩斯州阿馬里洛的一個氦提取設備。任何離開工廠的氦都會飄浮到大氣層的頂部，在那兒可能會與陽光相互作用，最后進入星際空間。 那么，我們要如何管理這項資源呢？答案是：“沒有辦法?！碑斘覀儗σ汉さ囊蕾囋谌找嬖黾訒r：醫(yī)學診斷涉及到的超導磁體的磁場環(huán)境，液氦的使用變得更加常見，但我們對地球上不可替代的氦儲備卻沒有長期計劃。國家（美國）氦儲備（局？）由于只能再維持兩年的大量氦儲備而面臨被拍賣的風險。 全球的氦形勢也不太樂觀。在全球范圍內(nèi)只有14家工廠開采和提煉氦，其中一半在美國。我們現(xiàn)在正經(jīng)歷著21世紀以來的第三次全球氦短缺，也是自2016年在坦桑尼亞發(fā)現(xiàn)一個巨大的天然氦儲存庫以來的第一次。大量的氦被輕率地浪費在像氣球和生日派對等一次性活動上的現(xiàn)狀是沒有辦法維持的。  美國物理學會和美國土地管理局2016的一項研究顯示，實驗室用氦的價格從2010年的每升5美元漲到了2013年的每升逾16美元。 與此同時，商用氦的價格也在上漲。然而氦價格的上漲的影響不僅在于科學和社會方面，還包括： 相反，唯一激起水花的是派對城這個被認為是最佳購買氦氣球品牌，它因為氦氣短缺而閉了5%的商店。  每當我們往一個氣球里灌滿氦氣，實際上就是讓氣球內(nèi)所有的氦原子背負逃離地球大氣層的命運。。在短短的幾十年里，我們就耗盡了數(shù)十億年才積累起來的自然資源。 每當你用氦氣充滿一個氣球，你就讓在地球上形成了數(shù)十億年的約3×10^23個氦原子離開這個星球。人類作為地球上的一個物種，正在通過幾十年的濫用來破壞我們星球的氦產(chǎn)生的整個歷史。讓科學和醫(yī)學研究、應用變得更加困難與昂貴；加劇了全球氦氣短缺，這已經(jīng)已經(jīng)處于可怕的形勢中了。 相比之下，其他的像開采其他星球或是從大氣中提取而得到氦的方式都是非常昂貴的。我們在地球上只有一次機會來提取和保存地表下的氦。我父母因輕率而失去的每一個原子都是另一個未來我們將被迫以一種更困難和占用更多資源的方式才能獲得的原子。氦在宇宙中是豐富的，但在地球上卻極為稀有與珍貴。我們是時候做些什么來保護它了。 參考資料 1.Wikipedia百科全書 2.天文學名詞 translate: SASA author: Ethan Siegel 如有相關內(nèi)容侵權，請于三十日以內(nèi)聯(lián)系作者刪除 轉載還請取得授權，并注意保持完整性和注明出處 選文：天文志愿文章組- 翻譯：天文志愿文章組- SASA 審核：天文志愿文章組- 終審：天文志愿文章組- 排版：天文志愿文章組-零度星系 美觀：天文志愿文章組- 參考資料（備份） 1.WJ百科全書 2.天文學名詞 3.原文來自：https:///starts-with-a-bang/humanity-is-thoughtlessly-wasting-an-essential-non-renewable-resource-helium-7e66506337b0 本文由天文志愿文章組- SASA翻譯自Ethan Siegel的作品，如有相關內(nèi)容侵權，請于三十日以內(nèi)聯(lián)系運營者刪除。 注意：所有信息數(shù)據(jù)龐大，難免出現(xiàn)錯誤，還請各位讀者海涵以及歡迎斧正。 結束，感謝您的閱讀與關注全文排版：天文在線（零度星系） 轉載請取得授權，并注意保持完整性和注明出處 浩瀚宇宙無限寬廣 穹蒼之美盡收眼底 |
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