地球上的水從哪兒來

姜靖

關(guān)于地球上水的來源有許多各不相同的認(rèn)識，各有各的道理，但真相究竟如何，還有待于科學(xué)家們收集更多的客觀證據(jù)，以揭開這個謎。

眾所周知，地球表面71%的面積被水覆蓋。然而，地球上的水從哪兒來，卻始終是未解之謎。近日，關(guān)于地球上水的起源問題又有新發(fā)現(xiàn)。

《自然》雜志載文稱，德國明斯特大學(xué)的科學(xué)家通過對來自加拿大不列顛哥倫比亞省塔吉胥湖隕石和地球地幔巖石樣品的同位素分析顯示，水在地球上出現(xiàn)的時間比此前預(yù)期的要晚很多。這在很大程度上反駁了此前很多科學(xué)家所持有的“水是地球形成階段時期由隕石表面的冰層轉(zhuǎn)變而來”的說法。

行星科學(xué)家、科普作家、中國科學(xué)院國家天文臺研究員鄭永春博士表示，水是生命之源，地球上水的起源一直以來都是非常重要的科學(xué)問題。在地球演化過程中，水起到了化學(xué)反應(yīng)劑和潤滑劑的作用，直接促進(jìn)了地球的演化和生命的起源。地球上水的起源和形成時間，決定了地球演化的方向和生命起源的時間。

那么，地球上的水，到底從哪兒來？目前比較有代表性的是“外源說”和“內(nèi)源說”。不過，“兩種說法都缺乏充足的證據(jù)?！编嵱来赫f。

地球上的水是彗星小行星“撞”出來的？

所謂“外源說”，顧名思義，認(rèn)為地球上的水來自地球外部。而外來水源的候選者之一便是彗星和富含水的小行星。

鄭永春介紹，被譽(yù)為“臟雪球”的彗星，其成分是水和星際塵埃，彗星撞擊地球會帶來大量的水。而有些富含水的小行星降落到地球上成為隕石，也含有一定量的水，一般為0.5%～5%，有的可達(dá)10%以上，其中碳質(zhì)球粒隕石含水更多。球粒隕石是太陽系中最常見的一種隕石，大約占所有隕石總數(shù)的86%。正因如此，一些科學(xué)家認(rèn)為，正是彗星和小行星等地外天體撞擊地球時，將其中冰封的水資源帶入地球環(huán)境中。

然而，科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)慧星水的化學(xué)成分與地球水并不匹配。此外，上述德國明斯特大學(xué)科學(xué)家認(rèn)為，既然隕石是在地球形成階段就已經(jīng)降落到地球的，那么應(yīng)該在地球的地幔中留下相應(yīng)的化學(xué)痕跡。如果水確實是在這一階段由隕石帶到地球上的，那么地幔中的同位素水平和隕石中的同位素水平應(yīng)該相同，而當(dāng)他們將不列顛哥倫比亞塔吉胥湖的隕石中釕同位素及地球地幔中釕同位素進(jìn)行對比分析后卻發(fā)現(xiàn)，兩者的同位素水平并沒有任何相似之處。

據(jù)此，德國明斯特大學(xué)科學(xué)家表示，這證明，如果水確實是由彗星或小行星帶到地球上的，則其來到地球上的時間并不是地球的形成期，而是地球演化到形成地殼和地幔之后的時期。但并不排除另一種情況，即水最開始其實是星際塵埃的組成部分，而地球則正是由星際塵埃所組成的。

此外，鄭永春表示，且不論這個撞擊的時間節(jié)點，單說地球表面要想形成現(xiàn)今的水儲量得需要多少隕石？如果光有隕石而缺乏把其中的水釋放出來的地球物理化學(xué)作用，隕石中的水又怎樣變成液態(tài)水？這些問題還有待進(jìn)一步發(fā)掘。

地球上的水是太陽風(fēng)“吹”出來的？

外來水源的另一個候選者是太陽風(fēng)。太陽風(fēng)是指從太陽日冕向行星際空間輻射的連續(xù)的等離子體粒子流，是典型的電離原子，由大約90%的質(zhì)子（氫核）、7%的α粒子（氦核）和極少量其他元素的原子核組成。有科學(xué)家認(rèn)為，地球上的水是太陽風(fēng)的杰作。首先提出這一觀點的科學(xué)家是托維利，他認(rèn)為，太陽風(fēng)到達(dá)地球大氣圈上層，帶來大量的氫核、碳核、氧核等原子核，這些原子核與地球大氣圈中的電子結(jié)合成氫原子、碳原子、氧原子等。再通過不同的化學(xué)反應(yīng)變成水分子，據(jù)估計，在地球大氣的高層，每年幾乎產(chǎn)生1.5噸這種“宇宙水”。然后，這種水以雨、雪的形式降落到地球上。

更重要的是，地球水中的氫與氚含量之比為6700：1，這與太陽表面的氫氚比也是十分接近的。因此托維利認(rèn)為，這可以充分說明地球水來自太陽風(fēng)。但太陽風(fēng)形成的水是如此之少，在地球45億年生命史中，也不過形成了67.5億噸水，與現(xiàn)今地球表面的水貯量（包括液態(tài)水、固態(tài)冰雪和氣態(tài)水汽）1.3860×1010億噸相比，不過九牛一毛。

地球上的水是“娘胎”里帶的？

與外源說相對的是自源說，自源說認(rèn)為地球上的水來自于地球本身。鄭永春說，地球是由原始的太陽星云氣體和塵埃經(jīng)過分餾、坍縮、凝聚而形成的。凝聚后的這些星子繼續(xù)聚集形成行星的胚胎，然后進(jìn)一步增大生長而形成原始地球。

地球起源時，形成地球的物質(zhì)里面就含有水。在地球形成時溫度很高，水或在高壓下存在于地殼、地幔中，或以氣態(tài)存在于地球大氣中。后來隨著溫度的降低，地球大氣中的水冷凝落到了地面。巖漿中的水也隨著火山爆發(fā)和地質(zhì)活動不斷釋放到大氣、降落到地表。匯集到地表低洼處的水就形成了河流、湖泊、海洋。

地球內(nèi)部蘊(yùn)含的水量是巨大的。地下深處的巖漿中含有豐富的水。有人根據(jù)地球深處巖漿的數(shù)量推測，在地球存在的45億年內(nèi)，深部巖漿釋放的水量可達(dá)現(xiàn)代全球大洋水的一半。

還有一種說法認(rèn)為在地球開始形成的最初階段，其內(nèi)部曾包含有非常豐富的氫元素，它們后來與地幔中的氧發(fā)生了反應(yīng)并最終形成了水。

為何只有地球上有液態(tài)水

地球科學(xué)家傾向于認(rèn)為，地球上的水來源于地球自身演化過程中的巖漿水等，天文學(xué)家更傾向于是彗星等撞擊地球帶來的水。目前兩種觀點誰都沒有說服誰。鄭永春表示：“可能兩方面的來源都有，目前的主要問題在于誰是主要來源還很難下結(jié)論，需要更多的證據(jù)?！?/p>

“很多人似乎覺得太空中的水很稀少，實際上水在太陽系中非常豐富?！编嵱来赫f，例如我們的臨近行星——火星，已經(jīng)在其表面發(fā)現(xiàn)了很多干涸的河床、湖泊、三角洲、沖積扇等，這說明火星表面曾經(jīng)有大量的水。現(xiàn)在科學(xué)家也相信，火星地下和兩極可能藏有很多水。此外，一些小行星、海王星軌道之外的柯伊伯帶的天體上也有大量的水存在。而在柯伊伯帶以外的奧爾特云更是分布著大量的彗星，這些彗星大部分就由水組成。

既然太陽系中并不缺水，為何只有地球有液態(tài)水？鄭永春表示，液態(tài)水能否存在的關(guān)鍵在于星球表面的溫度。在地球上，由于溫度通常在0到100攝氏度之間，因此水才可能以液態(tài)形式存在。有的星球如金星表面溫度達(dá)到400多攝氏度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了水的沸點，所以沒有液態(tài)水；有的星球如火星，表面溫度達(dá)到了零下四五十?dāng)z氏度，低于水的冰點，即使有水也都冰凍了，所以也不會有很多液態(tài)水。所以水出現(xiàn)在地球上并非偶然，而是必然現(xiàn)象。

地球水的“第四種形態(tài)”

地球上的水絕大多數(shù)其實并不是以我們所熟知的冰、水、氣3種形式存在。水還有另外一種存在形式，這種形式異乎尋?！蔷褪欠獯嬖趲r石中的水。

可以說，這些巖石像一個巨大的水庫，它的含水量至少與地球上所有河流、海洋和冰川中的水量加起來一樣多，或許還是海洋水量的4倍、6倍或10倍。但它們一直被深埋在我們腳下410千米處。

這種奇特的“第四種形態(tài)”的水，還可能隱匿在你家的廚房中。如果你家廚房的綠石灶臺是用蛇紋石做成的，假設(shè)一塊蛇紋石的灶臺面板重約90千克，在這塊石頭中，就有約10千克會是水，即石頭中可能融入了10升水。但是，這種融合并不像把雞蛋攪在稀面糊中那樣，而是水融進(jìn)礦石的每個分子中，即裹在構(gòu)成蛇紋石的鎂、硅和氧原子的點陣結(jié)構(gòu)中。科學(xué)家把這種融入水的礦石稱為“水合礦物質(zhì)”，即“水巖”。

科學(xué)家認(rèn)為，這種水巖遍布地下400～650千米的深處，厚達(dá)240千米，比地球表面的水層還要厚。即使這種礦石的含水量只有1%，其水量也很大，實際上已相當(dāng)于地球海洋水量的幾倍。