地球的水从何而来?

2021年05月12日 10:37 次阅读 稿源:新浪科技 条评论

北京时间5月12日消息,众所周知,水是生命必不可少的条件,而地球是已知唯一被海洋覆盖的行星。那么,地球上这么多的水来自哪里?这个问题并不简单。长期以来,人们一直认为地球在形成之初十分干燥,没有水的存在。当时的地球很靠近太阳,而太阳系形成时的温度很高。

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在这个模型中,水可能是通过彗星或小行星的碰撞来到地球的。如此复杂的起源意味着我们的星球在宇宙中很可能是独一无二的。

然而,在2020年的一项研究中,科学家发现水——或者至少是组成水的氢和氧——可能就存在于最初形成地球的岩石中。如果这是真的,那么宇宙中其他地方就很可能也存在具有液态水的“蓝色行星”。

地球表面和内部的水

液态水覆盖了地球表面的70%以上,其中约95.6%为海洋,其余4%存在于冰川、冰盖、地下水、湖泊、河流、土壤和大气中。然而,地球上大部分的水都深藏在地下:地幔中包含的水的体积是海洋的1到10倍。

地球的水,从大到小分别是:地球表面、内部和大气中的水;液态淡水;淡水湖泊和河流

地球的水,从大到小分别是:地球表面、内部和大气中的水;液态淡水;淡水湖泊和河流

在地球表面,“水”意味着两个氢原子结合一个氧原子(H20),而在地幔中所谓的“水”,对应的则是矿物质、岩浆和流体中的氢。这些氢可以与周围的氧结合,在适当的温度和压力条件下形成水。

虽然水只占地球质量的不到0.5%,但在地球自身演化和地表生命的形成过程中,却起着至关重要的作用。早期太阳系存在大量的氢,主要以氢气(H2)的形式存在,或与氧原子结合形成水(H2O)。然而,地球和其他岩石行星(水星、金星和火星)是在太阳附近形成的,那里的温度太高,水无法以冰的形式融合到岩石中,而是只能蒸发。那么,为什么今天的地球上有这么多水,无论是在地幔还是在地表?

一个被普遍接受的假设是,含水的小行星向地球输送了氢。在地球上,科学家发现了一些具有独特球粒结构的陨石,称为球粒陨石;这些陨石来自质量较小的小行星。与行星不同的是,小行星自诞生以来从未经历过地质演化,因此,它们是太阳系最初几百万年的良好见证。

太阳系形成之初是一团气体和尘埃,行星和行星体由尘埃凝聚而成。在星际物质的低压下,水能否融入行星体取决于周围的温度:在零下120摄氏度以上,水以蒸气形式存在,不与其他固体凝结

太阳系形成之初是一团气体和尘埃,行星和行星体由尘埃凝聚而成。在星际物质的低压下,水能否融入行星体取决于周围的温度:在零下120摄氏度以上,水以蒸气形式存在,不与其他固体凝结

例如,碳质球粒陨石形成于距离太阳足够远的地方,最初含有水冰(所有的水冰后来都通过热液蚀变融入了水合矿物中)。相比之下,普通球粒陨石和顽辉石球粒陨石形成之处距离太阳更近,那里的水呈气态,并且大量地融入到岩石中。和岩石行星一样,普通球粒陨石和顽辉石球粒陨石通常被认为是“干燥的”。

到目前为止,科学家公认的假设是,地球形成于干燥的物质,而地球的水来自于离太阳更远的天体输送;这些天体包括含水陨石,如碳质球粒陨石或彗星等。然而,关于彗星的假设并没有得到近期欧洲空间局罗塞塔号任务探测结果的支持。

地球水的另一个来源?

另一项研究则讲述了一个不同的故事。法国洛林大学的研究人员分析了顽辉石球粒陨石中的氢。这些“干燥”的陨石可以很准确地模拟地球形成过程中的岩石,因此其氢含量暗示了地球形成过程中可能存在水。

左图的默奇森陨石是一块碳质球粒陨石(0.46g),其包含的水合矿物和有机组分形成于外太阳系。右图为顽辉石球粒状陨石(Sahara 97096,70克),不含形成于内太阳系的水合矿物

左图的默奇森陨石是一块碳质球粒陨石(0.46g),其包含的水合矿物和有机组分形成于外太阳系。右图为顽辉石球粒状陨石(Sahara 97096,70克),不含形成于内太阳系的水合矿物

研究人员通过观察各种同位素的含量来比较地球岩石和顽辉石球粒陨石的成分组成。他们发现,尽管顽辉石球粒陨石不含水合矿物质,但确实含有少量的氢,其同位素比例与地球一致。在凝聚成硬质球粒陨石的矿物和有机化合物中,氢通常以微量(<0.1%)存在,这就解释了地幔和部分海洋中所含的大部分水的来源。因此,地球上大部分的水(更准确地说是水的组成元素氢和氧)可能从一开始就存在。

水的地球起源意味着什么?

当然,这项研究并不能告诉我们海洋何时在地球表面出现,但科学家已经知道,地球上的水不一定是由离太阳很远的含水天体提供的。至于内太阳系的岩石中,氢是以什么形式和什么过程被吸收和储存的,我们目前还不得而知。

在内太阳系岩石中存在的氢具有特别重要的意义,因为其很可能是其他岩态行星(水星、金星和火星)上水的起源。类似的岩石也可能为围绕其他恒星运行的行星提供了水,从而使其具有发展出生命的条件——至少是我们所知的生命形式。

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