地球之水從哪兒來?科學家找到新答案

作者 |唐鳳

地球是太陽系中唯一表面存在液態水的行星。

這是一個重要特徵，因為水在生命的出現和發展中扮演了重要角色。

但這些水是從哪裡來的，地球的水含量有多少？

事實上，地球的組成部分應該是乾燥的，因為它們來自太陽系內部，在行星形成過程中，那裡的溫度太高，導致水無法凝結並與其他固體一起積聚。

人們通常認為，水是在地球形成的最後階段，由彗星或太陽系外形成的水合小行星運送到地球的。

近日，法國南茜巖石地質研究中心的研究人員確定了一系列球粒隕石的水濃度和成分，並認為地球上的水可能起源於頑火輝石球粒隕石等物質釋放的氫，這表明地球形成之初就擁有足夠的形成水的基礎元素。

相關論文刊登於《科學》。

「水的存在一直是個謎。地球的組成部分，以及構成巖石行星和一些小行星的太陽系內部物質被認為是完全乾燥的。」

孕育了太陽的星際雲中產生的冰填滿了我們的海洋。圖片來源：BILL SAXTON/NSF/AUI/NRAO

論文通訊作者Laurette Piani告訴《中國科學報》，「我們研究的頑火輝石被認為是與地球構成部分最相似的物質之一，它確實含有足夠的氫，足以提供至少3倍於地球海洋總水量的水，甚至可能更多。」

水自天上來

「對很多人而言，地球上為什麼有水似乎是一個微不足道的問題。」

未參與相關研究的美國宇航局詹森航天中心的Anne H. Peslier在同期《科學》刊登的評論文章中寫道，「然而，這種生命關鍵成分的起源一直是一個長期爭論的話題。」

實際上，太陽系十分「溼潤」。除了地球，科學家在月球、火星、水星、彗星和大行星的冰冷衛星上也發現了水的痕跡。但水是從哪裡來的呢？

水已知是在星際介質——行星系統合併的地方形成的。

但是，當新形成的太陽開始釋放熱和光時，水會被摧毀嗎？還是那些原始的水在恆星形成後仍然存在，直至今天？

之前，一個研究太陽系水起源的研究小組認為，水有一半是在太陽誕生之前形成的，也就是說，水是在塵埃和氣體雲中形成的，而塵埃和氣體雲是太陽系的始祖。

如果水能在這樣的雲中大量形成，那麼它可能無處不在。

研究人員把重點放在了氘上。

氘是氫的一種重形態，與普通的氫一起在宇宙大爆炸中產生。

科學家得出結論，當水形成時，產生富含氘的「重水」的反應比產生正常水的反應略快，因此水中氘的比例增加了。

研究小組估計，地球上大約50%的水可能在45億年前太陽誕生之前就已經存在了。

這對其他行星系統來說是個好消息。

在整個空間中，星際介質的條件要比原行星盤均勻得多，所以很可能到處都有水，進而等待著行星的形成。

相關論文2014年刊登於《科學》。

「多年來，我們一直在爭論冰是否有星際遺產。」

美國宇航局噴氣推進實驗室天體物理學家Karen Willacy說，但「各種結果並不總是一致的。新的研究採用了一種更簡單的方法，利用了人們已經很好理解的化學原理」。

地球是個例外

但是，Peslier告訴記者，根據太陽系形成的模型，地球作為太陽系內部的行星，應該只有很少的水，甚至沒有水。

早期的行星形成模型預測，年輕太陽附近的星雲氣體由於太熱而不能形成冰。

因此，作為水蒸氣的水不可能輕易地被包含在水星、金星、地球和火星等內存巖石行星中。

只有太陽系外側的行星，如木星，含有豐富的水冰和其他揮發物，因為它們形成於「雪線」之外。

「雪線」是在太陽星雲中水蒸氣和水冰之間的假想邊界。這些行星誕生時距離太陽足夠遠，因此很容易吸收冰。

但地球是個例外。

這顆藍色星球不僅在海洋和大氣中蘊藏著水，而且在其內部深處的巖石中也鎖著相當於幾個大洋的水。為何同是「太陽之子」，行星間的差異卻如此之大？

要找到答案，研究人員就需要藉助太陽系初期形成的特殊隕石。

頑火輝石球粒隕石也被學術界稱為「E型球粒隕石」，被認為是原始太陽系星雲凝聚產生的物質。

研究人員認為頑火輝石並沒有被整合和化學修飾成行星一部分，其與地球上的巖石具有相似的同位素組成。

科學家認為，頑火輝石球粒隕石很可能參與了地球的形成，是聚集並最終形成行星的物質類型的最佳代表。

石頭溼潤了這裡

於是，Piani團隊利用傳統的質譜和二次離子質譜分析技術，測量了13個頑火輝石球粒隕石中的氫含量以及同位素氘氫含量之比，發現頑火輝石球粒隕石的氫含量遠大於此前設想，而其氘氫含量之比則接近於地幔水平。

結合宇宙化學模型分析，研究人員認為，地球上的水可能起源於頑火輝石球粒隕石向地殼和地幔中釋放的氫。

而參與地球形成的頑火輝石球粒隕石中氫含量很高，使其釋放的氫足以形成至少3倍的地球海水。

「這樣看來，地球可能是由一種既含有足夠的水，又具有恰當同位素組成的物質形成的，這些物質可以解釋今天幾乎所有的水的來源。」Piani說。

此外，大氣中大量的氮（地球大氣中最豐富的成分）也可能來自頑火輝石球粒隕石。

因此，地球可能一直是潮溼的，這對生命的發展至關重要。

前不久，發表於《自然—地球科學》的一項研究也表明，地球可能在其演化早期從富含氫的太陽星雲中獲得了大量的水。

科學家發現，在地核—地幔分異和地核—地幔邊界條件下，水的親鐵性隨溫度升高而減弱；然而，在巖芯形成條件下，對於還原和氧化反應，水總是強烈地分割到鐵液中。

研究人員認為，地核可能扮演了一個大型水庫的角色，包含了地球上的大部分水。早期地球的氫有3/4以上可能進入了地核。

「如果水從一開始就是地球的組成部分，那麼就不需要用太陽系外的物質來解釋地球上大部分水的來源了。因此，它可以對人們理解早期太陽系的動態和過程產生影響。」

Piani說，它還可以在地球的早期進化中發揮作用。

一些研究人員已經提出，氫可以作為礦物質中鐵的還原劑並產生水，從而幫助形成巖芯。

Peslier表示，該研究為揭開地球水源謎題帶來了一個關鍵而優雅的元素。「地球上的水可能來自於行星聚集的星雲物質。」她說。

《中國科學報》 （2020-09-02 第2版 國際）

編輯 | 趙路

排版 | 郭剛

方法如下

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