地球上的水究竟從哪兒來

唐鳳

地球是太陽系中唯一表面存在液態(tài)水的行星。這是一個重要特征，因?yàn)樗谏某霈F(xiàn)和發(fā)展中扮演了重要角色。

但這些水是從哪里來的？地球的水含量有多少？

事實(shí)上，地球的組成部分應(yīng)該是干燥的，因?yàn)樗鼈儊碜蕴栂祪?nèi)部，在行星形成過程中，那里的溫度太高，導(dǎo)致水無法凝結(jié)并與其他固體一起積聚。人們通常認(rèn)為，水是在地球形成的最后階段，由彗星或太陽系外形成的水合小行星運(yùn)送到地球上的。

最近，法國南茜巖石地質(zhì)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，并認(rèn)為地球上的水可能起源于頑火輝石球粒隕石等物質(zhì)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(chǔ)元素。

“水的存在一直是個謎。地球的組成部分以及構(gòu)成巖石行星和一些小行星的太陽系內(nèi)部物質(zhì)，被認(rèn)為是完全干燥的。”論文通訊作者勞雷特·皮亞尼說，“我們研究的頑火輝石被認(rèn)為是與地球構(gòu)成部分最相似的物質(zhì)之一，它確實(shí)含有足夠的氫，足以提供至少3 倍于地球海洋總水量的水，甚至可能更多?！?/p>

水自天上來

對很多人而言，地球上為什么有水似乎是一個微不足道的問題。然而，美國國家航空航天局約翰遜航天中心的安妮·佩斯利爾在一篇評論文章中寫道：“這種生命關(guān)鍵成分的起源一直是一個長期爭論的話題。”

實(shí)際上，太陽系十分“濕潤”。除了地球，科學(xué)家在月球、火星、水星、彗星和大行星的冰冷衛(wèi)星上也發(fā)現(xiàn)了水的痕跡。但它是從哪里來的呢？

水已知是在星際介質(zhì)——行星系統(tǒng)合并的地方——中形成的。但是，當(dāng)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恒星形成后仍然存在，直至今天？

之前，一個研究太陽系水起源的研究小組認(rèn)為，水有一半是在太陽誕生之前形成的。也就是說，水是在塵埃和氣體云中形成的。而塵埃和氣體云是太陽系的“始祖”。如果水能在這樣的云中大量形成，那么它可能無處不在。

研究人員把重點(diǎn)放在了氘上。氘是氫的一種穩(wěn)定形態(tài)同位素，與普通的氫一起在宇宙大爆炸中產(chǎn)生?？茖W(xué)家得出結(jié)論，當(dāng)水形成時，產(chǎn)生富含氘的“重水”的反應(yīng)比產(chǎn)生正常水的反應(yīng)略快，因此水中氘的比例增加了。研究小組估計(jì)，地球上大約50% 的水可能在太陽誕生之前就已經(jīng)存在了。

這對其他行星系統(tǒng)來說是個好消息。在整個空間中，星際介質(zhì)的條件要比原行星盤均勻得多，所以很可能到處都有水，進(jìn)而等待著行星的形成。

“多年來，我們一直在爭論冰是否有星際遺產(chǎn)。”美國國家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的天體物理學(xué)家凱倫·威拉西說，“但各種結(jié)果并不總是一致的。新的研究采用了一種更簡單的方法，利用了人們已經(jīng)很好理解的化學(xué)原理”。

地球是個例外

但是，佩斯利爾說，根據(jù)太陽系形成的模型，地球作為太陽系內(nèi)部的行星，應(yīng)該只有很少的水，甚至沒有水。

早期的行星形成模型預(yù)測，年輕太陽附近的星云氣體由于太熱而不能形成冰。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(nèi)存巖石的行星中。只有太陽系外側(cè)的行星，如木星，含有豐富的水冰和其他揮發(fā)物，因?yàn)樗鼈冃纬捎凇把┚€”之外?！把┚€”是在太陽星云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(yuǎn)，因此很容易地吸收冰。

但地球是個例外。這顆藍(lán)色星球不僅在海洋和大氣中蘊(yùn)藏著水，而且在其內(nèi)部深處的巖石中也鎖著相當(dāng)于幾個大洋的水。為何同是“太陽之子”，行星間的差異卻如此之大？

要找到答案，研究人員就需要借助太陽系初期形成的特殊隕石。頑火輝石球粒隕石也被學(xué)術(shù)界稱為“E 型球粒隕石”，被認(rèn)為是原始太陽系星云凝聚產(chǎn)生的物質(zhì)。

研究人員認(rèn)為，頑火輝石并沒有被整合和化學(xué)修飾成行星的一部分，與地球上的巖石具有相似的同位素組成?？茖W(xué)家認(rèn)為，頑火輝石球粒隕石很可能參與了地球的形成，是聚集并最終形成行星的物質(zhì)類型的最佳代表。

石頭濕潤了這里

于是，皮亞尼團(tuán)隊(duì)利用傳統(tǒng)的質(zhì)譜和二次離子質(zhì)譜分析技術(shù)，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(fā)現(xiàn)頑火輝石球粒隕石的氫含量遠(yuǎn)大于此前設(shè)想，而其氘氫含量之比則接近于地幔水平。

結(jié)合宇宙化學(xué)模型分析，研究人員認(rèn)為，地球上的水可能起源自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(dāng)同位素組成的物質(zhì)形成的，這些物質(zhì)可以解釋今天幾乎所有的水?！逼喣嵴f。

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，地球可能一直是潮濕的，這對生命的發(fā)展至關(guān)重要。

2020 年發(fā)表于《自然·地球科學(xué)》的一項(xiàng)研究也表明，地球可能在其演化早期從富含氫的太陽星云中獲得了大量的水。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，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，在巖心形成條件下，對于還原和氧化反應(yīng)，水總是強(qiáng)烈地分割到鐵液中。研究人員認(rèn)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(jìn)入了地核。

“如果水從一開始就是地球的組成部分，那么就不需要太陽系外的物質(zhì)來解釋地球上的大部分水了。因此，它可以對人們理解早期太陽系的動態(tài)和過程產(chǎn)生影響?！逼喣嵴f，它還可以在地球的早期進(jìn)化中發(fā)揮作用。一些研究人員已經(jīng)提出，氫可以作為礦物質(zhì)中鐵的還原劑并產(chǎn)生水，從而幫助形成巖心。

佩斯利爾表示，該研究為揭開地球水源謎題帶來了一個關(guān)鍵而優(yōu)雅的元素?！暗厍蛏系乃赡苤皇莵碜孕行蔷奂男窃莆镔|(zhì)?！彼f。

文章來源：《中國科學(xué)報(bào)》

（責(zé)任編輯：吳宇）