如果把地球那麼大的一團水放在太空會發生什麼？

11-27

我們來假設一下：
1.這個水球的體積和地球一樣
2.是純水，不存在任何雜質。
3.水球在太陽系內，只有一個水球，一個太陽，其他什麼也沒有。
4.在初始時刻，該水球在地球的軌道上繞太陽運轉。

大概就是這樣，謝謝！

實名反對 @airbunny的答案。
這個答案在物理上存在諸多疑點，
對這樣不嚴謹的答案在短時間內獲得1000贊，我表示十分遺憾。

以下是對這個答案（2014.8.25版本）的質疑：

疑點一：

在這種狀況下，水的物理形態會發生變化，熔點會因為高壓變得非常高，從而使水在那種環境下凝固成冰。

沒有計算數據支持的揣測都是耍流氓……根據本人反覆計算，對於地球大小的大水球，其中心壓力大約在5.7GPa，根據水的三相圖（參見Triple point）在這個壓力下，是很可能無法形成固態水的，根據水溫度的不同，它可能形成超臨界流體，也可能只是普通的液態水，這個有待進一步的計算。

疑點二：

這層流體的密度會隨著深度的增加線性上升，而達到相當大的程度。

相信答主對超臨界流體了解得不多，其實我也了解得不多。但是對於不會的東西，需要查資料來證明。參見超臨界流體，在維基百科上，清楚地寫著，對於超臨界流體，它的密度大約在 0.1~1 克每立方厘米，其密度並非高於普通狀態的水。其密度絕對不可能達到「相當大的程度」。

疑點三：

在這層超臨界流體之上，會是一層大約20公里深的水。

請求數據來源。

疑點四：

如果這團水處於離恆星很近的地方，因為恆星的加溫，水球表面的溫度會很高，因此會維持液態。這樣的話就與沒有陸地的地球無異。一部分水會蒸發，形成含有水蒸氣的大氣層。

地球的大氣層的存在並非完全因為水，而是因為其他元素尤其是行星形成初期的塵埃。個人傾向於水蒸發後無法形成大氣層而是會消失在星際空間中（參見下文）。

疑點五：

如果時間足夠長的話，表面的水會慢慢光致分解，變成氫和氧進入大氣層。

請原諒我的化學水平太低，實在想不明白這個"光致分解「的反應是如何發生的。關於所謂的光致分解，我查到的資料是這個：光致分解，這個和水並無關係。我百度了很多內容，沒有發現水也能光致分解的。我猜測答主的含義特指太陽的紫外線光解吧，但這個反應也不是隨隨便便發生的，需要一定的條件。

疑點六：

由於氫很容易被太陽風帶走，時間久了，這個水球的大氣層里就會富含水蒸氣和氧。會有正常的風、大氣環流、洋流和雲雨。如果他的位置處於恆星的宜居區，甚至會有孕育生命的環境。

風、大氣環流、洋流和雲雨是如何形成的？我實在是難以理解。很多東西只有地球上才有，形成條件是非常苛刻的。如果能那麼輕易地形成這些，我們大概已經找到好多好多適宜居住的星球了吧？孕育生命就更不可信了，連碳元素和硅元素都沒有，連有機物都不會存在，又何來生命？

疑點七：

但如果他距離恆星太近，表面的水會進入沸騰的狀態。於是你看到的這團水球的表面就會是一團開水。沸騰的水形成水蒸氣的大氣層，並迅速被太陽風帶走。由於表面的高溫，外層的液態水也會變成超臨界流體。

之前已經給出了超臨界流體的定義，星球表面的水，無論從溫度還是壓力上都不存在形成超臨界流體的條件。

………………
可能還有一些疑點，就不一一列舉了。
………………

對於水球這樣一個理想模型，其物理機制可能非常複雜，要完全解釋清楚是相當困難的事情，我並不認為現在能有很多人能解釋清楚。

不過，既然已經說了那麼多了，我也嘗試著給出自己的模型，
肯定是不夠專業的，也許會有很多疏漏甚至是錯誤之處，還請大家多多指教。

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模型的初始條件假設（儘可能嚴謹）：
1、在太陽系中，對於外力，僅考慮太陽對其的作用力，其他所有天體一概忽略；
2、在地球的軌道上，即距離太陽 1 天文單位；在這個軌道上，要保證繞太陽勻速圓周運動，其公轉速度必須和地球一致，即公轉周期大約是 365.2422 太陽日；
3、星球的構成是純 $H_{2}O$ ，它的形狀是絕對球形，半徑和地球一樣為6371 km；
4、星球初始密度為均勻分布，所有位置均為 1 $g/cm^{3}$ （自然，這個狀態並不能穩定存在）；
5、這個星球有一定速度的自轉以保證穩定性。
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一、這是一顆怎樣的星球？

容易地，我們可以計算出它的質量：
$M=frac{4}{3} pi R^{3} ho=1.08 imes 10^{24}kg$
對於球體內部距離中心為r的一個小質量體m，其受力大小為：
$F_{r}=Gfrac{M_{r} m}{r^{2} }=mg_{r}$
於是在該點的重力加速度為：
$g_{r}=frac{GM_{r} }{r^{2} }=frac{Gcdot frac{4}{3}pi r^{3} ho }{r^{2} }=frac{4}{3}Gpi r ho$
故其中心的壓力為
$P=int_{0}^{R} ho g_{r}dr=frac{4}{3}Gpi ho ^{2} int_{0}^{R}rdr=frac{2}{3}Gpi ho ^{2}R^{2}approx 5.67 imes 10^{9}Pa=5.67GPa$

這個壓力大約是一個標準大氣壓的 56000倍。

（註：如果是質量和地球一樣，半經將會是地球的1.77倍，中心壓力大約是17.7GPa）

在這樣的壓力下， $H_{2}O$ 將以什麼形式存在？
參見下圖（水的三相圖，來自Triple point）

我們只知道水的壓強，暫時不知道水的溫度，所以我用紅圈圈出它可能的形態，根據水初始的溫度它可能形成的狀態有：冰七（0~約225℃）、液態水（約225℃~373.9℃）或超臨界流體（&>373.9℃）。

（註：如果是質量和地球一樣，中心壓力大約是17.7GPa，中心狀態可能是冰七和超臨界流體，但不會是液態水，但在星球的其它位置，依然可能有液態水，其實差別不是太大）

根據維基百科提供的資料，冰七的密度大約是1.65 $g/cm^{3}$ ，普通水由於液體的難以壓縮性，其密度大約在 1 $g/cm^{3}$ ，而超臨界流體的密度大約在 0.1~1 $g/cm^{3}$ 。

由此可見，雖然均勻分布的 $H_{2}O$ 球是不穩定的，但是整個 $H_{2}O$ 球可能的相態也就只有超臨界流體、冰七、液態水和水蒸氣（在星球表面）四種。其中冰七可能不存在，而前三者的密度在 0.1~1.65 $g/cm^{3}$ 的範圍內，比較有可能的情況是由於超臨界流體的存在（冰七即使存在，其範圍也十分有限），這個 $H_{2}O$ 球會略微膨脹一些。

二、大氣層是否可以形成？

如果沒有大氣層的約束，那麼在星球表面的壓力就極小，幾乎為零，從水的三相圖中可以看到，若如此，對於任何大於-50℃的環境， $H_{2}O$ 都將以水蒸氣的狀態存在。於是，在太陽風的作用下，星球可能會逐步蒸發。

問題在於，大氣層是否存在？

這個問題很難回答，但個人傾向於大氣層不能穩定存在。

參考地球上大氣的形成：原始大氣圈。地球的大氣經歷了原始大氣、次生大氣和現代大氣三個階段。在原始大氣階段，大氣層的物質主要是氫和氦，但由於地球引力不夠和太陽風的影響，這一層大氣很快就消失掉了。這個階段和我們要討論的 $H_{2}O$ 球是類似的。而次生大氣是由地球內部火山噴發後形成的水汽、二氧化碳、氮、甲烷和氨等生成，我們顯然不具備這個條件。

類似地，金星大氣層可以參見金星大氣層，在大氣的形成過程中「包含水蒸氣等較輕氣體則持續被太陽風經由誘發磁尾吹出金星大氣層」。以及火星的大氣層：火星大氣層，其中只含有微量的水蒸氣。

金星、地球和火星的外部條件和我們要討論的 $H_{2}O$ 球是相近的，但是三者大氣的形成過程中水蒸氣都佔了很小一部分，並且除了地球外，另外兩顆星球的大氣主要成分是 $CO_{2}$ ,而這其中的碳元素的來源主要是行星內部。

一個不嚴謹的推測是：水分子由於分子量太小，它的蒸汽狀態無法單獨在大氣層中穩定存在，在太陽風的作用下，它極有可能被吹散在太空之中。

（另：類似於地球的行星，之所以能抵禦太陽風，很大程度是因為地磁場的存在，而磁場的存在主要是因為地球中心有鐵元素，依靠自轉來形成，但是大水球不具備這樣的條件，它怎麼轉都沒有磁場，所以可能完全無法抵禦太陽風。）

如果沒有穩定的大氣層， $H_{2}O$ 球會何去何從？

三、冰火兩重天

幸好，我們有現成的例子，那就是月球。月球是什麼狀態？沒有大氣。

失去了大氣層的屏障，月球的表面溫度簡直可以用「冰火兩重天」來形容。向陽面，在太陽的照射下，最高溫度能達到127℃，而在背陽面，由於失去了保溫作用，它的溫度可以低至-183℃。

如果一個 $H_{2}O$ 球擁有這樣的環境，它會怎麼樣呢？
我想可能是這樣的（大小比例不一定恰當）：

在太陽光的照射下，向陽的星球表面會迅速形成水蒸氣，而背陽面因為溫度過低而形成冰層，而其內部分別是液態水以及超臨界流體（或冰七，根據它的溫度）。

顯然地，在向陽面，水蒸氣會迅速蒸發，因為無法形成大氣層，加上太陽風的作用，所以它很快會在太空中。
而在背陽面，形成的冰是否就可靠呢？當然不是！行星總是有自轉的，雖然在太陽的潮汐力的影響下，自轉速度可能會減慢，但畢竟距離太陽太遠，自轉速度無法減到零（地球就是一個很好的例子），因此正如晝夜交替一樣，背陽面很快就會變成向陽面，它所形成的冰也會迅速融化（甚至是升華），而轉到背面去的水蒸氣，還沒來得及蒸發，又在低溫下結成了冰。

四、我的心，被你一層層地剝開，一邊剝一邊哭，最後終於隨風飄走，什麼也沒有留下

一邊自轉，一邊蒸發，在不斷地凝固、融化、升華和凝華下，大 $H_{2}O$ 球的半徑越來越小，內部的結構（液態水和超臨界流體或冰七）也逐漸地變得越來越小。

只有 $H_{2}O$ ，沒有其它物質，沒有東西能阻止這個過程的進行。這個大 $H_{2}O$ 球，終於不復存在。

也許你暫時能看到它留下的痕迹：有一灘薄薄地水，均勻分布在它原來的軌道上。

但是，不比小行星帶，它那柔弱的外表，是禁不起風吹日晒的。

一陣太陽風吹來，它終於被吹走了。吹到了更遠的地方。

這個曾經晶瑩剔透、秀色可餐的大水球，就這樣消失在了茫茫星海中。

什麼也沒有留下。

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註：本文已經收錄至我的專欄
假如把地球那麼大的水球置於太空中 - 翱翔在茫茫宇宙中 - 知乎專欄
如需深度討論，最好移步該處吧。

謝謝大家指教。

謝邀。

很久之前接到的邀請，今天翻出來發現爭論不小，我就在這裡說說自己的看法。正文之前，感謝各位提供的相圖和計算。 @曾加@airbunny

@airbunny提供的腦洞的方向是沒有問題的，當然存在一些瑕疵。 @曾加的質疑很值得讚賞，但是有些質疑顯得有些輕率了。歸納一下，目前的各位高票答主都忽略了三個因素：時間尺度，外部摻雜和流動特性；而這三個因素的糾纏影響會嚴重影響各位的結論。

1. 天文現象往往要用百萬年乃至億年為單位，這使得很多直觀上不可能的事情變成可能。比如 @曾加質疑的水分子分解為氫和氧的反應，其動力學的確是非常緩慢的。但是考慮到百萬年級別的時間尺度，這一反應對大氣成分的影響決不能輕易忽略。其具體的反應速率取決於恆星的光譜成分和強度，以及大氣中可能充當催化劑的塵埃濃度。其實類似的現象地球上就有很多，比如動植物屍體可以經過數億年反應成為石油，然而大學化學課絕對不會安排用小白鼠反應生成石油的實驗……

2. 題主雖然申明這一星體是純水構成的，然而一個暴露在宇宙中的大密度天體不可能不吸引其它小型天體比如隕石啊彗星以及各種星際塵埃什麼的。這就不可避免地引入了水之外的物質。因此，隨著時間的積累，落入星體的高密度物質如鐵隕石等會在重力的影響下沉降，逐漸在球心形成重質核。這將及其嚴重地影響深層水的相態和環流，甚至會由於放射性元素的積累而產生具有很高溫度的地核。即便如題主所說「太陽系內只有一個太陽和一個水球」，來自太陽本身的物質以及從太陽系外入侵的天體也會讓這個純凈水假設堅持不了幾億年。

3. 水是流體！水是流體！水是流體！！ 可以想見，當水球的自轉和公轉不同步的情況下，恆星引力的潮汐作用會造成全球性的強環流——而這個星球有幾千公里厚的水！不同緯度的水線速度不同，速度梯度產生的剪切摩擦會導致持續的能量耗散，提高星球的溫度，直到在（天文尺度下）較短的時間之內星球的自轉角速度逐漸同公轉同步，達到穩態。換句話說：水球在穩定運行狀態下公轉一定和自轉是同步的。此後，由於一面溫度高一面溫度低，向陽面的水密度變低上浮、背陰面的水密度升高下沉，從而導致表層水從向陽面流向背陰面形成全球性暖流，而深層水從背陰面流向向陽面形成深層寒流。這會在很大程度上緩和陰陽兩面的溫度差異，並在不斷的流動耗散中維持星體熱量。

4. 即便不考慮雜質帶來鹽分，純凈的超臨界狀態的水也是有非常高得解離度的。鑒於3中所述的全球性環流的作用，很有可能形成比地球還要強烈的磁場。在這個磁場的作用下，太陽風可以被很好地屏蔽，大氣也更有可能得到較好的保護 @曾加。

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研究大時間尺度的問題可千萬不能形而上，動態效應和演化是非常顯著的影響因素。開腦洞也要考慮歷史的進程嘛，否則腦洞越大越離譜。┑(￣Д ￣)┍

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有人提出木星也是流體行星為什麼沒有潮汐鎖定，我建議大家自己動手算一算，各種花樣的公式都不是機密上網就能翻到。提醒一下，距離太陽的距離、流體的粘度以及內部地質活動的活躍度都是很重要的參數，相鄰大行星的干擾也很重要。

呃……前晚臨睡前開了下腦洞隨手寫的東西居然一天已經被頂成這樣子了，完全意外+受寵若驚啊（捂臉逃）

答主讀的不是物理專業（恩，其實是碼農……順便輔修過機械- -），所以一些基本概念難免會有差錯。以及基本只是定性估計而不是定量計算，故此出了一些bug。在此感謝提出反對意見的 @吳易易 @曾加 @張睿和一個……呃……@匿名用戶。雖然對某些建議持保留態度，但很感謝各位的建議，尤其感謝進行了計算的各位。

下面的正文針對之前的部分bug做了一些修改及補充說明。修改之前的正文使用斜體。新增加的內容加下劃線。討論的前提是質量與地球相若的水球，其他條件不做約束。

/****************************正文的分割線****************************************************/

那麼大的體積，還是那麼重的呢？

如果是和地球一樣質量的一團水，在太空中體積會比地球大很多。但是，無論體積如何，當質量已經達到行星級別的時候，重力都會無情的重塑這一大攤水。

無疑的，這一大團水會因為重力而達到靜流體平衡，從而變成一個非常漂亮的球體。[注1]但這個球內部的結構不會是均勻的，而是隨著深度的增加逐漸改變。

如此巨大的一團水，半徑無論如何都會有幾千公里。這意味著，在這團水的核心部分，水壓早已達到相當可怕的程度了。在這種狀況下，水的物理形態會發生變化，

(熔點會因為高壓變得非常高，從而使水在那種環境下凝固成冰。但不要覺得那些冰很冷什麼的，由於高壓，他們的溫度可能會非常高--也許高過地球海平面上水的沸點。由於高壓的影響，這些冰的特點已經和我們常見的冰不是那麼一樣了。如果這團水並不是那麼純凈，而是有一些不可溶的固體雜質，這些雜質也有一定的可能逐漸沉積到這團水的中央，形成一個固體的核心。

在高壓冰之上的水，壓力雖不至於讓水凝固，但也不會讓水安靜的維持成水的樣子。水的液相會在高壓下消失，變成類似氣體的超臨界流體。這層流體的密度會隨著深度的增加線性上升，而達到相當大的程度。這層超臨界流體會相當厚，大約會佔掉這團水的絕大部分體積。

在這層超臨界流體之上，會是一層大約20公里深的水。在這一層，雖然壓力仍然可能很高，但已經不那麼離譜了。故此區別不會和地球上的海洋有太大的區別。)

由於巨大的壓力（以及可能很高的溫度），水會突破臨界點，從單純的液體變為介於氣體和液體之間的超臨界流體。[注2] 由於水的臨界點高達647K（約373C°），可以想像這會是一團高溫，危險而不友好的奇怪流體。由於超臨界流體的物理特性對壓力敏感，隨著深度的下降，這層超臨界流體的密度會迅速上升。

之前的正文中提到，在核心處，壓力最高的地方，超臨水可能會被進一步壓縮成高壓冰（冰VII）。之後，有人提出反對意見，認為當水突破臨界點之後不可能再次被壓縮成固體。確實如此么？有人給出了水的三相圖作為例證。不過既然要討論超過臨界點以後的問題，至少也要拿出來超過臨界點的三相圖出來吧……

如下圖：[注3]

圖中右上角的紅點即為臨界點。橫軸是溫度，縱軸是壓力。藍色的區域代表固體，綠色代表液體，土黃色，標記上Vapor的代表氣態。臨界點右上角沒有標註的棕色區域為超臨界流體。

可以看到，即使突破了臨界點，只要壓力足夠，水還是會被壓縮成固體形式的。實際上，在現今的冰巨星結構模型中，就是在超臨界流體下包含了一層高壓冰作為核心（或者作為岩石核心的外層）。因此這種狀況是可能發生的。

但具體在這個大水球上會不會發生呢？不知道。因為需要考慮水球核心處的壓力。

曾加君和某匿名用戶已經計算過，在水球的體積等於地球體積的情況下，核心處的壓力不足以維持高壓冰的存在。如果溫度足夠低的話，甚至可能不足以維持超臨界流體的存在。至於本文討論的，質量與地球相同的狀況，因為地球的平均密度大約是水的5.5倍，故此質量和體積都會大很多。讀者若有興趣的話，可以幫忙算一下這種情況下水球核心處的壓力，這樣就可以估計高壓冰是否可以形成了。在此感激不盡^_^

最後到了這層水的表面。而這裡的狀態如何，要取決於這團水所在的位置，以及它初始時期的溫度。

如果這團水處於離恆星很近的地方，因為恆星的加溫，水球表面的溫度會很高，因此會維持液態。這樣的話就與沒有陸地的地球無異。一部分水會蒸發。由於這個水球已經具有地球級別的質量，因此自身的引力已經足夠將這些蒸發的水蒸氣束縛在自己的周圍，從而形成由水蒸氣構成的大氣層。有人提出不具備磁場的水球，其大氣會被太陽風吹走而不夠穩定。如果這樣的話，請參考金星、火星和土衛六--他們都沒有全球磁場，但太陽風的力量或許會削弱他們的大氣，卻不能將他們完全剝奪。如果時間足夠長的話，表面的水會慢慢光致分解，變成氫和氧進入大氣層。[注4]由於氫很容易被太陽風帶走，時間久了，這個水球的大氣層里就會富含水蒸氣和氧。會有正常的風、大氣環流、洋流和雲雨。如果他的位置處於恆星的宜居區，甚至會有孕育生命的環境。[注5]

但如果他距離恆星太近，表面的水會進入沸騰的狀態。於是你看到的這團水球的表面就會是一團開水。沸騰的水形成水蒸氣的大氣層，並迅速被太陽風帶走。由於表面的高溫，外層的液態水也會變成超臨界流體。[注6]

*熱木星HD 209458b的想像圖。星球表面的氫正在被太陽風吹走。如果這團水距離恆星足夠近，看起來也會是這樣的效果。不同的是，被太陽風吹走的將是水蒸氣。

反之，若這團水距離恆星太遠，甚至漂浮在星際空間中流浪，它的表面將不會有足夠高的溫度。在這種情況下，表面的水將會凝固，變成厚厚的一層冰。

*木衛二就是這種狀況的一個典型例子。距離太陽遙遠的木衛二，表面下上百公里都是水。但因為得不到陽光的加熱，這層水的最外層都是凝固的冰，厚度可能達到10公里以上。

不過，這樣的前提是這團水被放到宇宙之中時，溫度本就很低。因此內部的熱能很小。但如果這團水在一開始已經有了足夠高的溫度呢？

這種時候，這團水的表面就不會凝固了。來自水深處積累的熱能，會慢慢的加熱表面，使他在足夠長的時間裡維持液態。同時，由於重力的作用，水球的內部也會逐漸釋放出一些熱能。這些熱能足夠表面的水維持液態非常長時間。

同時，如處於宜居區的水球一樣，表面的水也不會直接和真空的星際空間接觸，而會有一部分揮發出來，形成水蒸氣的大氣層。由於缺少陽光的影響，這個大氣層不會分化成分，而會一直維持這樣的狀態。

實際上，這樣的巨大水球並不是不存在的。宇宙里存在一種很類似他的星球，就是迷你海王星。

*系外行星系外行星格里澤436b就是一個典型的迷你海王星。他的內部結構顯示出了固體核心-&>超臨界流體（於圖中是water compressed into solid層，代表因為高壓而轉換物態的冰（如果存在，謝吳易易君提醒）和超臨界流體）-&>水-&>氣體大氣的典型結構。不同的是，他的成分並非單一的水，而還含有諸如氫、氦、氨等多種元素和化合物。

/*******************************吐槽的分割線***************************/
其實嚴格討論的話，題主給的起始條件仍然是不夠的。比如這團水的初始溫度是多少，會直接影響到水內部的結構分化。溫度高和低會產生可能完全不同的結果。一般的行星質量體形成時都會因為構成自己的物質溫度而具有自己的初始溫度。但這樣一團憑空冒出來的水……這溫度是可以隨意腦補的，您要是來了一盆1億度的水蒸氣（應該已經解體成氫氧的等離子體了），那這堆東西或許連穩定構成一個星體都是不可能的。

此外還有初始角動量。這決定這個水球會不會有自傳及自轉的速度。當然沒自轉的話潮汐力也會讓他轉起來。但是如果自轉很快的話，星體的赤道部分會因為離心力而拉長，這樣的話又會影響到星體內部的壓力。

一開始想這個答案的時候，基本就是簡單的按照流體靜力平衡會形成球體作為前提，然後根據壓力隨深度增加，水的物態隨之變化來分析的。同時參考了一下冰巨星的結構模型（畢竟現實中冰巨星最接近這個大腦洞了）。沒有經過計算，因此不是很嚴謹。然後，歡迎討論呀^_^
/*******************************注釋的分割線***************************/
[注1]：體積足夠大的星體，自會因為自身的引力收縮成球形。原理可以參看流體靜力平衡
潮汐力的話，需要第三方天體的出現才會對星體的形狀和內部對流產生影響，極端情況下，甚至會使星體變成卵形，或者直接解體（進入希洛極限）。而在地球軌道上，對應著太陽這麼大的天體，潮汐力的影響真的可說是微乎其微，否則的話在潮汐力弄死我們之前，我們也早就變成人肉BBQ了……

當然，如果你非要說這團水球起始的形狀是個啞鈴型……好吧，當我沒說，咱們來聊聊世界和平吧。
[注2]：超臨界流體是物質的一種高能物態，在這種狀態下，流體的表現會同時具備液體和氣體的一些特徵。對氣體和液體施以高壓和高溫，當溫度突破臨界溫度，壓力突破臨界壓力之後，就會變成超臨界流體。具體的可以參見wiki上的說明：超臨界流體
[注3]：Phase diagram of water and ice
[注4]：這裡要說一句。雖然水的熱穩定性很好，但是化學鍵這東西不是無敵一樣的存在，光的能量（特別是紫外線）足夠將它打破，使他還原成氫和氧。更不必說任何大氣分布不均導致的局部特殊情況出現。當然這種分解速度會很緩慢，比起經過催化劑進行的化學反應慢得多。但是有一個前提：如果時間足夠長。在實驗室里無聊的做一天實驗也看不到幾個分子分解，可是100萬年過去，這種速度已經足夠積累到讓大氣成分發生改變了。而對於地質年代來說，這只不過是一眨眼的事。
[注5]：關於大氣環流和洋流的形成，這可以被認為是受熱不均的巨大物體上為達成熱平衡而自然發生的現象。

直接借用下曾加君的圖吧：

如圖所示，星體是一個球形，而熱源（光）只來自一個方向。所以我們可以注意到，被陽光直射的部分溫度顯然會高，而接近晝夜分割點的位置溫度會低。這樣就構成了溫度差。有了溫度差會如何呢？當然是進行熱交換來達到熱平衡啊。

如果這個星球是一個沒有大氣的固體星球，這樣的熱交換也就是通過地表傳熱來進行了。但如果是在由流體構成的星體上呢？

不用問，一定是靠流體循環來實現熱交換了。畢竟，流體和高比熱容的話，效率可是要高很多了。

而這樣的流動（大氣的流動和表面液態水的流動）就構成了大氣環流和洋流。而且因為沒有地球上的陸地做干擾，天氣系統和洋流的形式會更簡單，就大氣環流來說，會比較類似氣體巨星。如木星：

[注6]：表面形成超臨界流體的溫度來自太陽的加熱。當距離太陽非常近的時候，星體表面的溫度可以被加熱到非常高。如水星，表面溫度可以達到700K（400C°以上）。在一些已知的系外行星上，溫度甚至可以達到2000C°。而形成超臨界流體的壓力來自沸騰的水。原理類似鍋爐。

1. 初期. 水球走向冰球(表層)
1.1 短暫的水球時期
這個水球大部分都是流體，由於自轉，赤道將被拉得更長，形狀上是一個橢球體。赤道附近自轉周期快於兩級，因此在赤道會形成很強的洋流。
1.2 向冰球演化
沒有溫室氣體，水球表面溫度持續降低，兩極地區很快形成冰川，冰川繼續向赤道擴張，最終水球會成為一個表層被冰雪覆蓋的大白球。由於冰層的反射率較高，冰層一旦形成，太陽光也基本沒有可能將一點點的冰層融化。

這是距今7億年前的雪球地球。

早期大冰球表面
2. 演化. 逐漸變小的冰球

在引力作用下，密度較高的H2O會向球心下沉，會逐漸形成洋蔥狀的層狀結構。由於沒有岩質，所以冰球不會形成類似地幔的結構，不能形成一層很好的隔熱層，水球核心的溫度降低得較快。整個水球的冰層向核心延伸。兩級的冰層厚度相比赤道增加的更快。
內部流體受到引力作用，溫度變化以及由此導致的密度變化的影響，將會形成廣泛而複雜的對流。內部水溫較高，因此會時不時地噴射類似岩漿的熱水流。
由於沒有臭氧層，沒有大氣，紫外線直接照射冰球表面，將氫從水分子中剝離而產生氫氣，不過這個過程非常緩慢。產生的氫會慢慢飄向外太空。
由於沒有磁場，太陽風會電離冰球表面物質，這些被電離的物質會慢慢逃逸掉。
結果就是，冰球自身越來越小，冰球表面將緩慢積累以氧氣為主的稀薄空氣。
3. 可能的結局. 慢慢變成類似彗星一樣的天體，或快或慢地消失在太陽系。

隨著體積的變小，最終它將失去規則的形貌，變成一顆類似彗星的天體，推著幾十萬公里的長尾巴。毫無生機地在太空中遊盪。
（1）緩慢變小的冰球
由於氧氣不斷積累，氧氣在紫外線的作用下會變為臭氧，漸漸地形成了稀薄的臭氧層。臭氧層會吸收掉部分高能射線，這樣，冰球變小的趨勢得到減緩。
（2）快速變小的冰球
最有可能發生的就是，這個大冰球經過數億年會消失在太陽系。2017-2-25更新
補一張H2O的相圖

根據 @張子晗@曾加兩位關於開普勒第三定律的科普（GMm/r^2=mr/T^2 T^2/r^3=1/GM ），周期與行星質量無關。
我仔細思考了一下，發現原來的答案有點想當然了，我再推演一邊，兩位幫我看看這樣說對不對啊：
原來的地球圍繞太陽做穩定軌道的旋轉時，我們可以認為萬有引力是完全作為向心力來使用的。

萬有引力 F = GMm/(r^2)
向心力 f = m(v^2)r
當F = f 時，我們可以推導出 (r^3) = GM / (v^2) ，即當太陽質量不變，地球運轉速度不變的情況下，地球的軌道是不會變化的，這與地球是個鐵球，還是個水球，沒有關係。

是這樣嗎？

彗星不就是大冰塊嗎

。

用普通大學物理的水平來回答一下吧。

首先，如果我理解沒錯的話，題主應該明顯指的是與地球同樣「尺寸」的水球。假設空間中存在這樣一個不受周圍天體干擾的區域，突然出現了一大團半徑6000多千米的大水球。

初始的狀態是，水球自己也不知道怎麼回事就出現在那裡了，所以認為它是均勻的狀態，但是呢，水球會受到自己的引力作用，從而使一部分區域的水壓更大。由於對稱性，可認為壓力（或者密度）只與直徑有關，而引力造成的重力加速度由下式給出：
$g(r)=G imesfrac{frac{4}{3}pi r^3 ho}{r^2}=frac{4}{3}pi G ho r$

注意到這個公式中只計算了小於r部分水球的引力，因為它外面的水球殼的引力是抵消的（高斯定理？）。式中可以看到離中心越近，重力加速度是越小的，但由於水壓是累積的（不同於固態的地殼），壓力仍然是越靠近中心越大。對上式積分可以求得中心位置的壓力：
$p_{max}=int_0^R ho g(r)dr=frac{2}{3}pi G ho^2 r^2approxfrac{2}{3} imes 3.14 imes 6.67 imes 10^{-11} imes 1000^2 imes(6 imes10^6)^2approx5 imes10^9~mathrm{Pa}$
（希望沒算錯。。。，媽蛋，果然算錯了。。。）

也就是5 GPa，按Wikipedia的說法，確實會形成Ice VII。可參照下面的相圖（來源：http://www.nist.gov/data/PDFfiles/jpcrd477.pdf），在5 GPa，300 K左右的位置。但是，值得提出的是，由於中心區域被壓縮，水球整體也會縮小，中心壓力也迅速地減小，回到液態水的狀態。（有興趣的同學可以根據壓力、密度公式算一下它的壓力分布）

關於表面的部分，有兩個因素需要考慮，一個是極低溫，一個是極低壓，大膽猜測會這樣：表層水迅速變成氣態並帶走大量熱，低溫和蒸發的同時作用使得表面形成一個相對更穩定的冰殼，然後冰殼逐漸縮小，最後完全蒸發掉。其實經過計算，目前排名第一的 @airbunny 答案似乎基本是對的，儘管有些地方看起來還是很奇怪，比如說超臨界不是看壓力多大而是看溫度多高的，水的臨界溫度在600多K。（請評論區的同學繼續提意見，或者自己寫答案一起討論吧）

自己也很感興趣的動手算算做了個分析。

我提出一些我覺得有疑惑或是不妥的地方，望指正。

1. 首先是關於自轉。

@曾加在第三部分冰火兩重天中提到，「行星總是有自轉的」，並對自轉問題一筆帶過，這點讓我覺得不夠妥當。而且既然是拿月球舉例，「晝夜交替」這一說法就顯得更加沒有說服力，畢竟月亮始終是一面朝著我們啊…

通常認為行星自轉是在形成時，重力吸積的過程不對稱所遺留下的自轉角動量，經過星體之間相互作用，如潮汐力，對於地球甚至還可能有撞出一個月亮的影響（忒伊亞碰撞假說），最終形成目前所看到的自轉。

現在題主的命題首先把其他行星去掉了，省了不少事情，但是跳過了水球的形成，根據題主的意思，初始時刻，水球具有初速度，在地球軌道上繞太陽轉。這個題設實在太少，所以需要進一步的做出一點假設。是否潮汐鎖定（如月亮之於地球，自轉=公轉），我覺得似乎會得到很不同的結果。

PS. 曾先生所說的，自轉速度無法被減少到零，這個沒錯，因為潮汐鎖定只是讓自轉周期=公轉周期，但舉地球的例子有點欠妥，畢竟地球的自轉周期主要是受到月球影像...

2. 關於大氣
出現了一個純水球，從t0開始，當然就是要發生變化
內部的變化我覺得上面的答案應該令人信服，我沒有具體動筆驗證，不好說。
而外部的變化，根據題主的假設，突然出現這麼個球體，表面蒸發是肯定的，而蒸發之後大氣能夠保留住么？

大氣層能否形成，最有關係的就是氣體逃逸了。逃逸成功與否，關鍵則是2個：逃逸速度與重力束縛。當接受相同熱量，轉化出相同動能（熱運動），分子質量小的氣體速度快。地球大氣平均分子質量大約29，水蒸氣18，同等條件下，水蒸氣的速度可以認為是地球大氣1.5倍左右，相對於木星大氣來說，水蒸氣並不算低分子量氣體了。而表面重力，由於體積相同，密度小，水球的表面重力根據之前朋友的計算，大約為地球的1/5.8左右，簡單來看的話，水球表面水汽逃逸的可能是地球的接近9倍。

而這提高的逃逸可能是不是會導致水球大氣徹底悲劇？
看個太陽系裡的例子，土衛二。
土衛二表面重力僅為地球的0.0113，但它仍然形成了「極端稀薄且不穩定」，但事實存在的大氣，而水球表面的重力有土衛二的15倍。當然不排除水汽大氣的行程需要更多的條件……畢竟我不是學大氣的，但從基本資料做出推論，還是很有可能，水球表面形成水汽大氣。當然由於太陽風的問題，水汽大氣應該會被損耗，也沒有磁場加強防禦，但要說很快就消耗到沒有，似乎欠妥
（不知道大臉師太在知乎有沒有號啊！！誰@ 她一下？？？）

3. 光致分解
@airbunny 所說的光致分解，我想應該就是太陽光中的紫外線分解水形成氫和氧。這個不用懷疑，的確是存在的反應，但是是不是叫光致分解，就不大清楚了，沒必要過多糾結，而且百度百科也不是什麼好的信息源。

總的來說我更支持 @airbunny 目前的答案，但題主條件的確少了一點

小白默默的說一句:這得先指出這顆星球離太陽的距離吧
以我大一新生猜想如果距離太陽足夠遠的話應該和氣態行星的結構差不多

由於太空中中沒有大氣壓，水在20度左右就可以沸騰，照到太陽瞬間氣化，形成成片的水霧。
沒照到太陽則會形成冰球，然後由於缺乏向心力散開，形成無數個彗星大小雪球，隨處碰撞飄散。

如果這團水球足夠大，大到其質量與普通恆星相當，最終會發生什麼？它會不會一直凝聚最終發生熱核反應變成一顆恆星？畢竟水裡是有氫元素的。那麼氧呢？我也不知道……

實現不了，會消散。
就算已違反物理學的角度強行生成，那也就是一個超大雪球而已

不斷變小。

我要去提個問題：如何把一團地球那麼大(體積)的水放到太陽系中的行星軌道上？

它會成為彗星，拖起長長的尾巴。

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評論區要鬧哪樣？

@曾加，懷疑二可能不用懷疑。

關於水球內部壓力就不計算了，借@曾加的結果5.7GPa。而1吉帕=10^9帕。

根據百度百科：冰七是降至室溫後可在30億帕(Pa)以上由液態水形成,或冰六(D2O)低於95K時減壓形成。科學家以為泰坦及絕大由水組成的系外行星(如格立司436b和GJ1214b)的海底即由冰七組成。

所以水球內部會形成冰七，一種立方結晶冰形。所以 @曾加，懷疑二可能不用懷疑。

也有可能是遠離恆星的一顆行星，表面覆蓋著薄薄的一層冰層，大概有10-20千米厚度，內部是液體，核心是超流體。因為各種力的相互左右，冰層地殼極不穩定，不過噴發的不是岩漿，而是高溫高壓的水蒸氣。
因為地心超流體的優質傳導性，大氣層被強力的磁場保護著，大氣層厚度比地球更大。
怎麼看都是十分適合殖民的星球。