地球上的水“来源”说法？|热点

2023-02-14 21:17:01 来源 : 大科技杂志社

从太空看我们这颗星球，地球最与众不同的特征是它那明亮的蔚蓝色。因为地球表面近四分之三都被海水覆盖着。

其实，地球上的水还不止这些。在陆地，生物体内百分之六七十以上都是水。此外，在地下，以矿物(如结晶水合物)形式存在的水也体量惊人，若全挤出来，也许是另一个海洋。

(相关资料图)

但是，地球上的这些水到底是怎么来的?这个问题至今都没有一个满意的答案。

地球在“襁褓”中似乎就缺水

在宇宙空间，也存在大量水——不过它们主要以冰的形式存在。其实，就宇宙空间的水而言，它的起源倒不是个难题。因为只要氢气和氧气混在一起，在宇宙中随处可见的辐射的“撮合”下，就能制造出水来。原料嘛，也不缺。氢元素在宇宙诞生伊始就有，氧元素是在恒星内部制造出来，然后随着超新星爆发，抛撒到星际空间的。

但具体到地球上的水，就不能指望通过氢氧两种元素反应临时制造出来。首先，游离态的氢很活泼，在行星出现之前，就基本上被消耗殆尽了;其次，氢太轻，行星的引力束缚不住它。所以，不论地球之水是怎么来的，得来的必然是现成的水。现在，解释这个水的来源，是件棘手的事情。

要理解为何如此困难，我们需要追溯到比46亿年前还久远的过去。那时太阳还很年轻(太阳目前的年龄是50亿年左右)，辐射比现在要强烈得多;环绕着它的是一个由气体和尘埃组成的漩涡——太阳系的一颗颗行星将在这个漩涡中诞生。那时，任何水都只能以星际空间冰的形式存在。如果一些冰闯入内太阳系，也就是像地球这样的岩石质行星即将要诞生的地方，那么太阳的热量和辐射将会把水分子裂解成氢原子和氧原子。这意味着形成地球的那团尘埃云中，连一滴水都不会剩下。

就算我们乐观地设想，星际空间中的水在行星形成过程中，以我们迄今所不知道的方式幸存了下来，最终凝聚成年轻地球表面的海洋，但接下去还要应付一场大撞击——月球就是在这场撞击中诞生的。

关于月球是如何形成的，我们目前最好的解释是：大约45亿年前，一颗叫“忒伊亚”的火星大小的天体撞到了地球。它的撞击是如此剧烈，以至于整个地球都熔化、碎裂了。其中一些溅射出去的碎片凝聚成了月球，剩余的在自身重力作用下坍塌，重新凝聚成地球。

传统观点认为，在这场大撞击中地球之水在劫难逃。

地球之水来自天外?

既然地球在“襁褓”中可能就缺水，即便不缺水，要长久保存也过不了“大撞击”这一关，那么今天这么多水到底是怎么来的呢?

过去占主流的看法是，地球之水是太空“信使”送来的礼物。这些“信使”主要是彗星和小行星，它们多数形成于离太阳足够远的寒冷地带，携带着大量的冰。在月球形成之后不久的一个时期，大量彗星和小行星轰击地球，为我们带来了贵金属、水和有机物。作为那一时期疯狂轰击的证据，月球表面至今仍布满了撞击坑。

这个假说是如此深入人心，以至于在很长时间里，人们以为解决了地球之水起源于何处的难题。但2014年，一次打击让这个假说风光不再。

打击来自2004年由欧洲宇航局发射的“罗塞塔”号探测器。该探测器在2014年访问了“67P/丘留莫夫—格拉西缅科”彗星，从彗星上采集了冰的样品。但随后的分析发现，彗星上的水跟地球上的水，氢元素的同位素“配方”并不一致。

我们知道，所有的化学元素，包括组成水的氢氧两种元素，都有不同的同位素。比如说氢元素，它就有氢、氘、氚三种同位素。氢原子核里只有1个质子，氘原子核含有1个质子和1个中子，氚原子核含有1个质子和2个中子。由氢与氧结合形成的水是普通水，由氘与氧形成的水叫重水，由氚与氧形成的水叫超重水。

如果两种水有同一来源，那么在水中氢的三种同位素比例或者说同位素“配方”，应该完全一致才对。但实际情况是，“67P/丘留莫夫—格拉西缅科”彗星上的水与地球上的水，氢的同位素“配方”并不一致：彗星之水中氘的含量比地球之水高。

当然，如果我们能找到另一颗彗星，它的水中氘的含量比地球之水低，那么通过适当的“调配”，或许也能“调配”出地球上的水(换句话说，当初轰击地球的彗星，不仅有含氘高的，也有含氘低的)。但到目前为止，这样的彗星一颗都没找到。

地球之水或许有两个来源

既然地球之水不能全靠彗星的“赐予”，现在有人提出这样一种折中的观点：也许需要调配的不是来自这颗彗星和那颗彗星的水，而是来自彗星的水和地球自己与生俱来的水。换句话说，地球上的水，一部分是与生俱来的，另一部分来自彗星;而且与生俱来的那部分水含氘量较低。

要理解这个新假说，需要我们搞清楚很多事实。下面将一一解释。

首先，让我们来看看，后来凝聚成地球的尘埃云是否曾炽热到容不下水的地步?

一位英国科学家通过模拟显示，尘埃颗粒在高温下吸附水的能力，比我们原先设想的要强得多。他为组成尘埃颗粒的橄榄石建了一个电脑模型——橄榄石是太阳系和环绕其他恒星的尘埃云中最常见的一种矿物。随后，他计算了一下，如果水分子吸附在不规则的橄榄石尘埃颗粒表面会怎样。他发现，一旦水分吸附其上，需要很大的能量才能把它们分离出来。根据这个模型，要想把水分子跟尘埃颗粒分开，温度至少要在630℃以上，而在地球形成的过程中，一开始尘埃云的温度似乎没那么高。

这个结论也得到天文观测的佐证。天文学家利用斯皮策太空望远镜已探测到年轻恒星DR Tau和AS 205A(距地球350光年以上)周围的尘埃盘中含有水。

那么，为什么地球与生俱来的这部分水含氘量较低呢?前面已经提到过，当太阳还很年轻时，辐射很强烈，地球上原有的水都被分解成了氢原子和氧原子(如果是重水呢，则被分解成了氘原子和氧原子)。这些游离态的原子，直到太阳辐射减弱之后才重新结合成水。因为氘原子比氢原子重，在与氢原子争夺氧原子时，相对比较“笨”，所以新生成的水中，氘含量就降低了。

这样，地球与生俱来就有的水经过“浴火重生”之后，氘含量偏低，而来自彗星的水，氘含量偏高，两者一调配，就调配出了今日氘含量适中的地球之水。这位科学家计算了一下，要调配出今日地球之水，地球与生俱来的水不应少于70%。

拓展阅读：地球之水如何躲过“地狱之火”和大撞击?

有两个问题还需交代一下。

第一个问题：前面不是说，即便地球上与生俱来就有水，这些水也不可能在形成月球的大撞击中幸存下来吗?

关于这个问题，2015年美国得克萨斯州西南研究所的一位天文学家对大撞击做过计算机模拟。模拟结果显示，虽然在撞击中，地球原有的水，甚至地球自身的固态物质，都全部蒸发了，但蒸发形成的“蒸汽云”还是有足够强的引力来抓住水蒸气，所以别担心水在大撞击中会跑个精光。

第二个问题：倘若地球之水存在于形成月球的大撞击发生之前，那个时候年轻地球的温度非常高，这样一个燃烧的地狱，怎么能保住这些水呢?

有人认为，最初地球所含的水可能被锁在地幔深处的矿物里。这些矿物耐得住高温，比如结晶水合物明矾，需要加热到比较高的温度才能脱水。

标签：星际空间结晶水合物天文学家

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