水是如何進入地球的?

2020-12-05 天文在線

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我們的星球表面70%被水覆蓋,水在我們日常生活中扮演著重要的角色,但是水最初是如何進入地球的呢?

我們的星球地球表面70%覆蓋著水,我們位於離太陽最合適的位置,這讓液態水得以存在。任意遠一點水就會結冰,任意近一點溫度就會過高,我們將會面臨失控的溫室效應的危險下,就像灼熱的金星表面上正在發生那樣。我們不太熱,不太冷的位置在所謂的「金髮姑娘地帶」(Goldilocks zone)是件好事,因為當然,水對於生命是必須的。

但是水是如何進入這兒的呢?水是我們星球的標誌性特徵,它在我們日常生活中舉足輕重,了解水是怎麼到達地球的也是了解這裡的生物怎樣以及何時演化的關鍵。但是我們甚至不知道它是怎麼來,從哪兒來的。科學家們仍然在積極研究我們的星球最初是怎麼變得如此潮溼的。

早期地球

我們當前的行星形成圖以一個原行星盤開始——那是圍繞新形成的太陽旋轉的大量氣體和塵埃盤。當星盤中顆粒狀的塵埃和冰之間相互作用,這些顆粒開始形成越來越大的團塊。最終這些團塊組成了我們稱作的星子——巖石和巨型行星的組成成分。

但在我們太陽系形成的早期,處於我們當前地球位置的氣體塵埃盤太熱了,所以即使組成圓盤的一堆碎片中大概率有水分子存在,水也太熱而無法凝結成液體,反而導致其蒸發。況且,早期地球還沒有一個大氣層,這使液體水滴更容易被吹入太空。這給我們留下許多疑惑,如果地球不可能在海洋已經完好無損的情況下由圓盤形成,那麼它們是如何到達這裡的呢?

彗星與小行星

行星科學家懷疑,如果地球的水不是與地球一起形成的,那一定是後來通過地外信使傳遞來的。小行星和彗星都拜訪地球且都藏有冰(不確定小行星和彗星之間的區別嗎?查看我們的早先一期)。事實上,小行星和彗星組成的模型表明,它們甚至藏有足夠的冰,可以輸送相當於地球海洋的水量。

「是彗星或者小行星帶來了地球上的水嗎?是一個單一事件,還是許多個?這是多久以前發生的?」

所以,問題解決了嗎?還沒有。是彗星或者小行星帶來了地球上的水嗎?是一個單一事件,還是許多個?這是多久以前發生的?

確定小行星或彗星是否給我們帶來海洋的一種方法是查看這些宇宙天體的化學組成,並將其與地球進行比較來找出誰更相似。 例如,一個水分子總是有10個質子(氧原子有8個質子,氫原子各有1個質子);通常有8個中子(僅來自氧原子)。 但是水的不同同位素會有額外的中子。 例如,重水就是我們所說的由氧氣和氘形成的水,氘和氫是氫的同位素,或者說是加有額外中子的氫。

2014年發表在《科學》雜誌上的一項研究著眼於隕石裡的水的不同同位素的相對含量,這些同位素被認為是從古老的小行星維斯塔墜落到地球上的。 維斯塔(Vesta)是小行星帶中的第二大天體,表面坑坑窪窪,表明了它充滿了碰撞的過去。

維斯塔(Vesta)巖石樣品裡的水具有和地球上看到的水的相同同位素分布。 如今,這並不意味著維斯塔一定是我們的水源,而是在年齡和成分上可能與Vesta類似的一個或多個天體。

但是,爭議尚未解決。 一段時間以來,對彗星的研究似乎支持了地球的水來自小行星的觀點。 21世紀初發射的羅塞塔號太空飛行器是第一個繞行彗星的,也是第一個將著陸器(稱為Philae)送入彗星表面的太空飛行器。 多虧了Rosetta和Philae,科學家發現彗星上的重水(由氘組成的水)與「常規」水(由規則的傳統氫製成)的比重與地球上不同,這表明,最多不超過10% 地球的水可能起源於一顆彗星。

但在2018年,彗星46P / Wirtanen的近距離通過使得行星科學家能夠使用SOFIA(一種配備瞭望遠鏡的巨型噴氣機——非常酷)對它的同位素組成進行更詳細的研究。 他們發現彗星的氘和氫的比與地球上相似。 那麼,這顆彗星與Rosetta和Philae研究的那顆彗星有何不同?

好吧,彗星46P / Wirtanen來自一類所謂的「高活性」彗星,這意味著它們在靠近太陽時會比常規彗星釋放更多的水。 這是如何做到的? 當一顆標準彗星接近太陽的熱量時,來自其核的冰粒將升華或直接從固體冰變成氣體,然後,如果到達地球表面,它們隨後可以凝結成液態水。 但是,一顆過度活躍的彗星不僅會損失其核中的冰,而且還會損失其大氣中富含冰的顆粒,這些顆粒先前已從核中加熱並釋放出來,但仍在周圍徘徊。 那些冰冷的顆粒可能是使高活性彗星的同位素比與地球上的同位素比更相似的原因。

所以即使高活性彗星很少見,但它們具有與地球上看到的同位素比相似的同位素比這一事實,使它們又重新回到了地球的宇宙注水者的競選中。

地球上的水是和月亮一起到達的嗎?

更進一步的爭議都圍繞著這水何時到達。 在維斯塔的研究中,科學家發現,這些小行星樣本也具有與碳質球粒隕石相同的「同位素指紋」,這是我們太陽系歷史上最早的非常原始的隕石。 這種相似性挑戰著這樣一種觀念,即水必須在地球最初形成後數億年通過一次重大碰撞到達地球,而水可能來得更早,早1400萬年範圍內。

然而,發表在《自然》雜誌上的其他證據表明,水到達地球可能是同一事件的結果,這個事件給了我們太空中永遠忠實的同伴——月球,從而處於太陽系的歷史的更晚時期。

」 我們每天所用的湖泊和河流中所有淡水的氣泡直徑只有35英裡(約合56公裡)。就這樣!我們只有這些。」

根據USGS——即美國地質調查局,或者說研究地球環境和資源的科學家小組,如果你把地球上所有的水收集在一起,這個氣泡的直徑大約為860英裡,或者1385公裡。(這種單位轉換特別適用於澳大利亞聽眾丹尼爾·巴茲利(Daniel Bazley),他在信中要求我為那些不採用美國英寸、英尺和英裡制的人提供公制測量值。)

但這就是所有的水,包括海洋中的鹹水和地下深處我們無法接近的淡水。我們每天所用的湖泊和河流中所有淡水的氣泡直徑只有35英裡(約合56公裡)。就這樣!我們只有這些。讓我們盡我們所能保護和保存這一極其重要的資源吧。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. 趙丁丁- Everyday Einstein-Sabrina Stierwalt-quickanddirtytips

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