地球的水是從何而來?
2021年05月12日10:07

  5月12日消息,眾所周知,水是生命必不可少的條件,而地球是已知唯一被海洋覆蓋的行星。那麼,地球上這麼多的水來自哪裡?

構成水的氫和氧來自哪裡?
構成水的氫和氧來自哪裡?

  這個問題並不簡單。長期以來,人們一直認為地球在形成之初十分乾燥,沒有水的存在。當時的地球很靠近太陽,而太陽系形成時的溫度很高。在這個模型中,水可能是通過彗星或小行星的碰撞來到地球的。如此複雜的起源意味著我們的星球在宇宙中很可能是獨一無二的。

  然而,在2020年的一項研究中,科學家發現水——或者至少是組成水的氫和氧——可能就存在於最初形成地球的岩石中。如果這是真的,那麼宇宙中其他地方就很可能也存在具有液態水的“藍色行星”。

  地球表面和內部的水

  液態水覆蓋了地球表面的70%以上,其中約95.6%為海洋,其餘4%存在於冰川、冰蓋、地下水、湖泊、河流、土壤和大氣中。然而,地球上大部分的水都深藏在地下:地幔中包含的水的體積是海洋的1到10倍。

地球的水,從大到小分別是:地球表面、內部和大氣中的水;液態淡水;淡水湖泊和河流
地球的水,從大到小分別是:地球表面、內部和大氣中的水;液態淡水;淡水湖泊和河流

  在地球表面,“水”意味著兩個氫原子結合一個氧原子(H20),而在地幔中所謂的“水”,對應的則是礦物質、岩漿和流體中的氫。這些氫可以與周圍的氧結合,在適當的溫度和壓力條件下形成水。

  雖然水只占地球質量的不到0.5%,但在地球自身演化和地表生命的形成過程中,卻起著至關重要的作用。早期太陽系存在大量的氫,主要以氫氣(H2)的形式存在,或與氧原子結合形成水(H2O)。然而,地球和其他岩石行星(水星、金星和火星)是在太陽附近形成的,那裡的溫度太高,水無法以冰的形式融合到岩石中,而是只能蒸發。那麼,為什麼今天的地球上有這麼多水,無論是在地幔還是在地表?

  一個被普遍接受的假設是,含水的小行星向地球輸送了氫。在地球上,科學家發現了一些具有獨特球粒結構的隕石,稱為球粒隕石;這些隕石來自質量較小的小行星。與行星不同的是,小行星自誕生以來從未經曆過地質演化,因此,它們是太陽系最初幾百萬年的良好見證。

太陽系形成之初是一團氣體和塵埃,行星和行星體由塵埃凝聚而成。在星際物質的低壓下,水能否融入行星體取決於周圍的溫度:在零下120攝氏度以上,水以蒸氣形式存在,不與其他固體凝結
太陽系形成之初是一團氣體和塵埃,行星和行星體由塵埃凝聚而成。在星際物質的低壓下,水能否融入行星體取決於周圍的溫度:在零下120攝氏度以上,水以蒸氣形式存在,不與其他固體凝結

  例如,碳質球粒隕石形成於距離太陽足夠遠的地方,最初含有水冰(所有的水冰後來都通過熱液蝕變融入了水合礦物中)。相比之下,普通球粒隕石和頑輝石球粒隕石形成之處距離太陽更近,那裡的水呈氣態,並且大量地融入到岩石中。和岩石行星一樣,普通球粒隕石和頑輝石球粒隕石通常被認為是“乾燥的”。

  到目前為止,科學家公認的假設是,地球形成於乾燥的物質,而地球的水來自於離太陽更遠的天體輸送;這些天體包括含水隕石,如碳質球粒隕石或彗星等。然而,關於彗星的假設並沒有得到近期歐洲空間局羅塞塔號任務探測結果的支援。

  地球水的另一個來源?

  另一項研究則講述了一個不同的故事。法國洛林大學的研究人員分析了頑輝石球粒隕石中的氫。這些“乾燥”的隕石可以很準確地模擬地球形成過程中的岩石,因此其氫含量暗示了地球形成過程中可能存在水。

左圖的默奇森隕石是一塊碳質球粒隕石(0.46g),其包含的水合礦物和有機組分形成於外太陽系。右圖為頑輝石球粒狀隕石(Sahara 97096,70克),不含形成於內太陽系的水合礦物
左圖的默奇森隕石是一塊碳質球粒隕石(0.46g),其包含的水合礦物和有機組分形成於外太陽系。右圖為頑輝石球粒狀隕石(Sahara 97096,70克),不含形成於內太陽系的水合礦物

  研究人員通過觀察各種同位素的含量來比較地球岩石和頑輝石球粒隕石的成分組成。他們發現,儘管頑輝石球粒隕石不含水合礦物質,但確實含有少量的氫,其同位素比例與地球一致。在凝聚成硬質球粒隕石的礦物和有機化合物中,氫通常以微量(

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