地球上的水是哪兒來的

雷冊(cè)淵

水是生命之源。3月22日，我們將迎來“世界水日”。今年“世界水日”的主題是“Nature for water”（借自然之力，保護(hù)綠水青山）。

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。近兩年，關(guān)于地球上水的起源又有新發(fā)現(xiàn)……

行星科學(xué)家、科普作家、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)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(rùn)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(shí)間，決定了地球演化的方向和生命起源的時(shí)間。

彗星撞、太陽風(fēng)吹還是自帶

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“自源說”。

所謂“外源說”，顧名思義，就是認(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。

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(huì)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。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(shí)，將其中冰封的水資源帶入了地球環(huán)境中。

然而，研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)彗星水的化學(xué)成分與地球水并不匹配。此外，地幔中的同位素水平和隕石中的同位素水平也沒有任何相似之處。

科學(xué)家據(jù)此表示，這證明如果水確實(shí)是由彗星或小行星帶到地球上的，則其來到地球上的時(shí)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(shí)期。但并不排除另一種情況，即水最開始其實(shí)是星際塵埃的組成部分，而地球正是由星際塵埃所組成的。

外來水源的另一個(gè)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。有的科學(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(diǎn)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(jì)，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十分接近。因此托維利認(rèn)為，這就可以充分說明地球水來自太陽風(fēng)。但太陽風(fēng)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相比，不過九牛一毛。

與“外源說”相對(duì)的是“自源說”?！白栽凑f”認(rèn)為地球上的水來自于地球本身。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(zhǎng)，形成原始地球。

地球起源時(shí)，形成地球的物質(zhì)里面就含有水。在地球形成時(shí)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(dòng)不斷釋放到大氣、降落到地表。

還有一種說法就是認(rèn)為，在地球形成的最初階段，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。

你喝的水可能比太陽還古老

關(guān)于地球水的來源，地球科學(xué)家認(rèn)為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(diǎn)誰也不能說服誰。近兩年一些有趣的發(fā)現(xiàn)更是激起了科學(xué)家們的興趣，比如，你日常喝的水也許比太陽還要古老……

來自美國(guó)密歇根大學(xué)天文系的一項(xiàng)研究成果顯示，存在地球、隕石、月球表面的水可能比大約46億歲的太陽系還“老”。這意味著現(xiàn)存于太陽系中的水，有部分來自于太陽系形成前的星際介質(zhì)。

參與研究的美國(guó)密歇根大學(xué)博士生克里夫斯表示：“太陽系誕生初期的環(huán)境條件并不適合水分子的合成。而在這種情況下，水就只可能來自于富含化學(xué)元素的外部星云。引人矚目的是，這些水成功地在太陽系誕生的過程中幸存了下來。”

為了探明水的“年齡”，研究人員決定從氫的同位素“氘”身上入手。氘，舊稱“重氫”，常用于熱核反應(yīng)，在能源領(lǐng)域具有良好的前景，它們通常微量存在于我們周圍的水中，并且很難自然形成。

研究人員構(gòu)建了專門的計(jì)算機(jī)模型，比對(duì)了彗星、行星、隕石及地球海洋水中氘的豐度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些樣本的比率均高于正常情況下太陽系中氘的比率，也就意味著多出來的氘可能并不來源于太陽系。超出比率的氘可能來自氘豐度（相對(duì)含量）更高的寒冷星際空間，比太陽系更加“年長(zhǎng)”。

但并不是說我們周圍的水都是太陽系的“長(zhǎng)輩”，真正早于太陽系形成的水在其中的比例目前并不明確，不過其數(shù)量可能很可觀。

這一發(fā)現(xiàn)不僅意味著我們每天可能在喝著來自遙遠(yuǎn)星際空間的水，還意味著宇宙中可能會(huì)有更多類似太陽系的系統(tǒng)，具備誕生生命的條件。這將有助于人類對(duì)行星系統(tǒng)的研究，人們或許將有更大機(jī)會(huì)找到另一個(gè)孕育生命的“地球”。

地球水的“第四種形態(tài)”

其實(shí)，絕大多數(shù)地球上的水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(gè)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倍甚至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(tái)是用蛇紋石做成的，假設(shè)這塊蛇紋石的灶臺(tái)面板重約90千克，在這塊石頭中，就有約10千克水，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(gè)分子中，即裹在構(gòu)成蛇紋石的鎂、硅和氧原子的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中。幾乎地下410千米深處的礦石大都以這樣的方式融進(jìn)了水——在410千米厚的巖石疊加在一起所產(chǎn)生的重力，以及約1093.33攝氏度高溫加熱的共同作用下，一個(gè)氫原子會(huì)離開水分子，留下一個(gè)羥基，而這個(gè)氫原子會(huì)融入礦石分子?？茖W(xué)家把這種融入水的礦石稱為“水合礦物質(zhì)”，即“水巖”。

可以這樣形象地解釋：在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫ο?，某種礦石的確將水吸入其分子結(jié)構(gòu)中，就像海綿吸水一樣。而水分子進(jìn)入礦石就會(huì)分解，分解為一個(gè)氫原子和一個(gè)羥基。所以礦石中絕對(duì)有水。

而且科學(xué)家至少從三方面得出了結(jié)論：水巖確實(shí)比沒有水合狀態(tài)時(shí)更柔韌，更易變形；科學(xué)家能用紅外線分光鏡測(cè)量出礦石分子結(jié)構(gòu)中的水分子。最重要的是，當(dāng)?shù)V石承受的壓力和溫度以適當(dāng)?shù)姆绞奖蝗コ龝r(shí)，氫原子和羥基就會(huì)從礦石中脫離，以水的形式從礦石中流出。

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，相當(dāng)于地球海洋水量的幾倍。