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水比太阳更古老,又是流星惹的

来源:http://www.abirdfarm.com 作者:betway必威官网手机版 时间:2019-11-29 05:25

betway必威官网手机版 1新的研究证明,地球上至少有相当一部分水,形成于星际空间,可以追溯到太阳形成之前。这也意味着,太阳系外的其他行星也会在含有大量水的环境中形成,意味着生命在银河系中遍地开花的前景相当乐观。图片来源:阿五,夜空中国

水是地球上生命起源的关键物质,对于评估其他行星上是否可能存在生命也相当重要。确定地球上水的最初来源,是了解养育生命的环境如何形成的关键,也是了解其他地方有多大可能性找到类似环境的关键。一项新的研究发现,我们太阳系中有许多水,很可能起源于星际空间中形成的冰。

水是生命之源。本周四,我们将迎来“世界水日”。今年“世界水日”的主题是“Nature for water”。

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。

去年差不多也是这个时候, ISON正凝聚着地球上所有观星者的目光。而距它的身姿消失于天际中仅仅不到一年,罗塞塔任务的“第一次彗星接触”又为人们注入了一份新的期待。我们总是和这些从太阳系边界远道而来的大雪球有着说不完的故事。它们之于你,或许只是夜幕中一道亮丽的身姿,或许则蕴含着众多你想知道的科学谜题的答案。千百年来,人们似乎都抱持着这样的信念:这些拖着长尾巴划过天际的身影,跟我们之间似乎有着说不清的羁绊。

水是地球上生命起源的关键物质,对于评估其他行星上是否可能存在生命也相当重要。确定地球上水的最初来源,是了解养育生命的环境如何形成的关键,也是了解其他地方有多大可能性找到类似环境的关键。一项新的研究发现,我们太阳系中有许多水,很可能起源于星际空间中形成的冰。他们的研究论文9月25日发表在《科学》(Science)杂志上。

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众所周知,地球表面71%的面积被水覆盖。然而,地球上的水从哪儿来,却始终是未解之谜。近两年,关于地球上水的起源又有新发现……

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,以矿物形式存在的水也体量惊人,若全挤出来,也许是另一个海洋。

betway必威官网手机版 32013年10月8日,美国莱蒙山天文中心拍摄到的ISON彗星。图片:Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/University of Arizona

在我们的太阳系中,水可以说是无处不在。不只地球上有水,那些冰质彗星和卫星上也有水,甚至连水星上永远晒不到阳光的阴影盆地中也有水冰的存在。水还存在于来自陨石、月球和火星的矿物样本之中。尤其是彗星和小行星,由于本身就较为原始,它们为我们太阳系早期的环境提供了天然的“时间胶囊”。

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彗星撞、太阳风吹还是自带

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。

就譬如昔日的科学向人们传达出这样一个故事——彗星是地球上水的来源。遥在38亿年前的亘古时代,原始地球尚是一团炽热致密的火球,那是生命根本无法存在的炼狱,然而,却有无数的彗星划过重重天际,不远万里造访地球。这些宇宙的冰晶在地心引力的引导下融入大地,向地球注入充足的水分,从而为生命之章的开演,写下必要的序言。

在太阳尚处在幼年时,它被一个原行星盘所包围,也就是所谓的“太阳星云”(solar nebula),行星便在其中诞生。但是,科学家此前一直不太清楚,太阳星云中的冰,到底来源于太阳形成之前的星际分子云,还是在太阳形成的过程中全部被破坏然后又通过化学反应重新形成的。

在我们的太阳系中,水可以说是无处不在。不只地球上有水,那些冰质彗星和卫星上也有水,甚至连水星上永远晒不到阳光的阴影盆地中也有水冰的存在。水还存在于来自陨石、月球和火星的矿物样本之中。尤其是彗星和小行星,由于本身就较为原始,它们为我们太阳系早期的环境提供了天然的“时间胶囊”。

地球上的水,到底从哪儿来?目前比较有代表性的是“外源说”和“自源说”。

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故事很精彩,但科学家们发现的更多线索却表明事情远没这么简单。彗星到底是不是大地之水的来源?还是这终归是场美丽的误会?地球上的水究竟有多少种可能的来源?这事儿,似乎需要好好商榷商榷。

“为什么这个问题很重要?如果早期太阳系里的水是从星际空间直接继承过来的原始物质,那么类似的水冰,以及它们所包含的前生命有机物质,就很有可能大量存在于大多数甚至全部正在形成的恒星周围的原行星盘中。”美国卡内基学院参与了这项研究的科内尔·亚历山大(Conel Alexander)解释说,“然而,如果早期太阳系里的水主要来自于太阳诞生时发生的化学反应,那么在不同的正在行成的行星系统中,水的含量就可能千差万别,这显然会对太阳系外其他地方涌现出生命的可能性产生影响。”

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所谓“外源说”,顾名思义,认为地球上的水来自地球外部。而外来水源的候选者之一便是彗星和富含水的小行星。

地球在“襁褓”中似乎就缺水

昔日的神话

先来回顾一下原先的模型吧——为什么人们会相信彗星是地球水分的来源呢?这还得从太阳系早期历史说起。在太阳系诞生之前,我们这片宙域弥漫着某颗超新星爆发后残留的的分子云遗骸,里面包含着大量的气体、水(冰尘)以及固体颗粒。在悠久的时光中,星云中的某处发生了引力坍缩,当坍缩的幅度足以启动氢的聚变时,便点燃了年轻的太阳。围绕着这个引力源,原行星盘(Protoplanetary Disk)开始旋转形成。常识告诉我们:越靠近太阳的地方温度越高。在当时的原行星盘中,距太阳一个天文单位(Astronomical Unit,AU,即太阳-地球平均间距,约149,597,871 km)之内的水分都是无法稳定存在的。新生的太阳,将离它最近的内带冰尘蒸发为了稀薄的水蒸汽,进而用猛烈的太阳风将它们和其他气体组分一道吹向外侧空间,直到温度降至凝固点的地方才慢慢固结为冰块就位下来,构成弥散于太阳系外带的尘埃云。只剩下那些熔点又高、比重又大的物质——比如硅酸盐、铁镍等滞留在靠近太阳的内带。这些融不掉又吹不走的“钉子户”在内带频繁地碰撞、粘结,最终如滚雪球般裹成一个个巨大的石头疙瘩,形成了今天的水星、金星、火星,当然,还有我们的家——原始地球。

betway必威官网手机版 6原行星盘的艺术想象图。图片:NASA/JPL-Caltech/T. Pyle

由是可见,我们地球所在的太阳系内带,打一开始就是岩石行星们的乐园,完全不是水这种沸点极低比重极轻的“小同学们”该呆的地方。按照太阳定下的“规矩”,水分理应大量分布在外带,天生与内带的岩石行星没有缘分。火星,金星,水星,哪个不是干秃秃的死寂的世界?但怎奈理想很骨感,现实却很丰满——我们的确实实在在地生活在一个例外的星球上,这个星球上有着太过例外的水分。

经过长期的研究,科学家们找到一个线索:似乎宇宙的某个时刻出现了某种契机,将这些早已飞得远远的水分又重新引渡回了内带。解开谜题的关键其实并不远,就在我们自己的卫星——月球上。自打成功登月以来,人类通过阿波罗任务采回了大量月岩样本,其中包含着形成于撞击事件中的岩石。虽然人们不远万里取回这些月宫的宝贝并不是为了放在博物馆里庆功的,但一开始确实也没想那么多。他们只是想测测这些岩石的年龄,看看每一个撞击坑都是啥时候形成的。自量子世纪以降,人类便掌握了一种很神奇的“黑科技”——只要能够在岩石中发现封闭性良好的同位素体系,便可以引用半衰期原理,用质谱仪测出这石头形成的年龄。于是,当人们把算出的撞击事件年龄投入时间坐标时,发现并非均匀地分布在每段时间轴上,而是异常集中于38亿年这个界限左右。更直白地说便是:现在月亮上那些密密麻麻的陨石坑,绝大多数都是在38亿年左右形成的,形成于其他时间的则非常少。

betway必威官网手机版 7月球表面密布的陨石坑,多是38亿年前附近形成的。图片:wikicommons/Gregory H. Revera

这无非表明咱们的月亮在38亿年左右遭受过异常密集的高频度陨石撞击罢了,可这跟地球上的水又有什么关系呢?请想一想这样两个很微妙的问题吧:一、这些撞过来的“弹幕”来自何方,或者说只能来自何方?二、由于月-地间距在整个太阳系尺度下根本不算个事儿,在一次事件中,如果有成千上万的陨石撞上一颗行星的小小卫星,它的母星能逃过吗?

在地球与行星科学所提供的实际数据基础上,天体物理学家们完善了这个理论:38亿年前的太阳系早期,刚诞生的巨行星们(类木行星)位置并不固定,它们还在晃晃悠悠地找地方就位。而在动量守恒这么一条铁律下,行星的频繁变轨,必然伴随着巨大的动量交换。巨行星稍微释放出一点动量,就足以彻底改变彗星、小行星这类经不起折腾的渺小尘埃们的轨道,将其“弹飞”。于是,无数的小天体就被荡进内带了。这些重新飞进太阳系内带的陨石和彗星无疑就是一颗颗的炸弹,朝内带所有的岩石行星(类地行星)进行无差别的轰炸。至今,在那些地质作用近乎停滞的星球譬如水星和月球上,还清晰地保留着38亿年前的这次“轰炸任务”的新鲜弹坑。这就是地球历史的第二幕大事件——后期重轰炸(Late Heavy Bombardment,LHB)了。

betway必威官网手机版 8后期重轰炸可能让地球捕获了不少物质。图片:NASA/JPL-Caltech

聪明人自然从这次确凿地刻在月面的轰炸记录中看出了些许端倪——撞入地球的天体中有无数的冰块(彗星),不恰恰能够解释地球上巨大水储量的来源吗?这些水分一旦落入地球的引力圈内,便不容易被太阳风给赶走了。正好,38亿年也是地球的熔融表层开始凝固为固态岩石的时代,于是,一个如同神话般的壮阔光景,便在科学的框架中清晰了起来:当时,全球熔融的炽热地表,将无数彗星带入地球的水分蒸发,富集在原始的大气中。而随着地表的冷却,水分开始从大气中凝固,全球尺度的无尽豪雨,从混沌的原始大气中倾泻而下,冲刷着地球新生的地表。天地终辟,洪荒始开,此世的第一次大洪水,创造出原始的大地与原始的海洋,未经多时,人们便在随后的岩石记录中找到了原核生物的遗迹。冥古宙落幕、太古宙开场,生命沐浴着年轻太阳那稀薄的光辉,在大洪水之后的伊甸园中,发出了它在这颗行星上的第一声啼鸣。

这个科研团队在研究太阳系水冰的历史时,重点关注了氢和它的重同位素氘。同位素是同一种元素的不同原子,拥有相同数目的质子,但中子数目不同。质量上的差异使得同位素在参与化学反应时出现细微的性质差异。因此,水分子中氢和氘的比率能够告诉科学家,这些水分子形成时处在怎样的环境当中。

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被誉为“脏雪球”的彗星,其成分是水和星际尘埃,彗星撞击地球会带来大量的水。而有些富含水的小行星降落到地球上成为陨石,也含有一定量的水,一般为0.5%—5%,有的可达10%以上。正因如此,一些科学家认为,正是彗星和小行星等地外天体撞击地球时,将其中冰封的水资源带入了地球环境中。

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。

旧叙事的瓦解

科学塑造出的故事固然一如神话般壮阔,但科学却终究不是神话。只要有证据,再荒诞的故事也可以成全,再完备的故事可以瓦解。当新的证据如楔子般楔入那完美的叙事大厦时,倾颓,便只是一瞬间的事儿了。

成也萧何败萧何,挑战依然来自同位素。但这次却不是U-Pb、K-Ar、Re-Os、Rb-Sr这些用以给岩石测年的放射性同位素,而是身轻体稳的三兄弟:氢的三个稳定同位素,氕、氘、氚。

众所周知,同位素是指质子数相同而中子数不同的核素,质子的数目便是元素的身份证,它规定元素应该位于周期表的哪个位子里。而在质子数不变的基础上,原子核内的中子数却可以不同,它们共同占着周期表中的同一个位子,所以叫“同位素”。在氢的三种同位素中,普通氢(H,氕)是最简单的,就是一个质子加一个围着转的电子。它的两兄弟则相对复杂一点——分别多出一个(D,氘)或者两个中子(T,氚)。同位素是“很惨”的,假比你是氘,比别的氢多了1个中子,那么这就是你一生的档案,是“阶级烙印”。由于化学反应不改变原子核内的结构,因此只要不涉及“拆原子核”的核反应,无论你走到哪儿——无论身为游离氢,还是进入水分子、进入角闪石晶格、进入生物大分子的碳链……你都丢不掉它。

betway必威官网手机版 9氢的三种同位素:氕、氘和氚。图片:wikicommons/Bruce Blaus

可为什么氢同位素能指示地球水很可能并非来自彗星呢?

这是因为,科学家们分别统计了地球水、以及三个著名的大彗星——哈雷(Halley)、百武(Hyakutake)和海尔波普(Hale-Bopp)的D/H比,结果发现彗星水的D/H比居然比地球水高出了两倍多!由于同位素的化学性质一样,在化学反应中不具有任何特殊性,带来的结果便是:只要来自同一个初始来源,哪怕随后分别进入不同系统中参与化学反应,其同位素的平均配分比大体也是不变的。众所周知,水在地球上的循环以及与地球其他物质之间的作用显然不涉及核反应,如果地球上的水全是彗星带来的,那按说D/H比值应该一样才对。所以,科学家们相信,两者显著的差异只能有一种解释,那就是:彗星,其实并不是给地球“开门送水”的那个勤劳的快递员。

举例来说,星际空间的水冰,氘氢比率就会较高,因为它们形成于极低的温度。但没有人知道,在太阳诞生的化学反应中有多少这种富含氘的水会被破坏掉,也没有人知道,新生太阳系有多大的能力自己产生富含氘的水冰——直到现在。

在太阳尚处在幼年时,它被一个原行星盘所包围,也就是所谓的“太阳星云”(solarnebula),行星便在其中诞生。但是,科学家此前一直不太清楚,太阳星云中的冰,到底来源于太阳形成之前的星际分子云,还是在太阳形成的过程中全部被破坏然后又通过化学反应重新形成的。

然而,研究发现,大多数彗星水的化学成分与地球水并不匹配。此外,地幔中的同位素水平和陨石中的同位素水平也没有任何相似之处。

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。

然后呢?

然后没有然后了么?不,然后就太多然后了。彗星似乎被赶走了,但问题却回来了。于是新一波证据推了过来。截止当下,人们对于地球水来源问题所持的观点大体分为两大类:自生说(Endogenous)和外源说(Exogenous)。

自生说所持一个关键性证据是,在太阳系形成之前,星云遗骸中已然赋存着大量的水分子,这些水分子可能在原始地球形成中富集下来。但是模拟表明,类地行星在形成过程中很难直接把原行星盘里的气态物质吸积为原始大气。更关键的问题在于:自生说同样要面对D/H比不一致的问题。科学家们通过木星和土星中的CH4推测出原始太阳系的D/H比,发现它们相较于地球水的比值又低太多了。所以,自生说其实出现了跟彗星同样的问题,尽管其间也提出过诸如同位素分馏之类的补丁方案。但与其一堆问题上修修补补,多少不如自洽性相对更完善的外源说来得更为实在,这也是为何本文要大篇幅介绍LHB理论的原因了。

持外源论的科学家们大体还是有一个共识的,就是后期重轰炸这个前提最好不要动。“错”的只是彗星,从来都不是至今已经获得了大量行星地质证据和天体物理模拟的LHB理论。彗星虽然靠不住了,但 “炸弹”里还有更多的岩石质小行星呢。它们落入地球,便是陨石。研究发现,碳质球粒陨石(Carbonaceous chondrites)是一种富含水分的物质,水的重量百分比甚至可达17%。更关键的是,这种陨石的D/H比与地球水非常一致,因此很快便成为当下关于地球水来源的优势理论。

betway必威官网手机版 10 已知最大的碳质球粒陨石——阿联德陨石(Allende meteorite)的切片。图片:wikicommons/Matteo Chinellato

除了在地表寻找碳质球粒陨石之外,人们也打起了在小行星带里运行得好好的那些小天体的主意。这不,最近科学家们只要在小行星带上发现一点水分,就总觉得它们很可能隐藏着解开水之源的奥秘。在名字全是数字的无数不起眼小行星上找到一点同位素比值相近的水多少不是难事儿,可根据上个月底的最新报道,连灶神星(Vesta)这样的天体上似乎也出现了人们感兴趣的东西。

故事还在继续,甚至彗星说也大有死灰复燃之势——有人终究发出了这样的声音:毕竟我们至今测的仅仅是三个彗星的D/H比,它们能代表整个奥尔特云的全部冰块儿吗?用区区3个彗星便将所有的彗星来源彻底打入冷宫,或许真的显得太武断了些。

所以,罗塞塔任务的存在便瞬间显得重要了起来。连欧空局为罗塞塔所做的视频“硬广”里,“水”也是那个挥之不去的主题词。

betway必威官网手机版 11罗塞塔与菲莱的艺术想象图。图片:ESA–C. Carreau/ATG medialab

从某种意义上说,这“一大步”虽然已经迈出,但似乎还有待于彻底踩扎实。罗塞塔和菲莱,以及所有准备打彗星主意打小行星主意或者打别的宇宙物件主意的人们,我们能否最终跨出这通向起源的一大步?将来,还真得看你们的了。

嘛,只要别字面意义地在着陆时弹飞一大步就行……

总结:随着对太阳系早起演化史研究的完善,人们曾经根据后期重轰炸理论认为彗星是地球水分的来源,但由于彗星和地球水的氢同位素比值不一致,因此遭到重大质疑。截止目前,关于地球水起源的假说主要分为自生说和外源说。最主流的认识依然是在后期重轰炸的理论框架内展开,碳质球粒陨石被认为是目前证据链最充分的可能来源。此外,也有部分人认为现今所测得的彗星同位素数据量并不足以囊括所有奥尔特云内的冰质天体,因此并不能彻底排除彗星是地球水分来源的可能性。

编辑:老猫

betway必威官网手机版 12地球上至少有一部分水,在太阳形成之前就已经形成。这张示意图描绘了水在太阳系形成历史中的演变。图片来源:Bill Saxton, NSF/AUI/NRAO

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科学家据此表示,这证明,如果水确实是由彗星或小行星带到地球上的,则其来到地球上的时间并不是地球的形成期,而是地球演化到形成地壳和地幔之后的时期。但并不排除另一种情况,即水开始其实是星际尘埃的组成部分,而地球正是由星际尘埃所组成的。

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。

参考资料

  1. Hazel Muir (2007) Earth's water brewed at home, not in space, New Scientist.
  2. Wikipedia: Comet, Late heavy bombardment, Origin of water on Earth 
  3. Drake & Campins (2005). Origin of water on the terrestial planets. Proceedings of the International Astronomical Union, Symposium S229(1):381-394.
  4. Andrew Fazekas, 2014, Oct. 30. Mystery of Earth's Water Origin Solved. 
  5. Live Science: Where did Water Come From

这个研究团队建立了模型来模拟原行星盘,其中来自星际空间水冰中的所有氘原子都已经被化学反应清除了,因此这个系统不得不从头开始,在长达100万年的模拟时间中,自行生产出含氘的水冰。研究团队之所以这样做,是为了弄清楚这样一个行星系统能不能产生出我们在陨石样本、地球的海水和“时间胶囊”彗星中看到的那种氘氢比率。结果发现,他们的模型没办法做到这一点——这意味着,我们的太阳系中至少有一部分水起源于星际空间,可以追溯到太阳诞生之前。

圣旭源

外来水源的另一个候选者是太阳风。

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。

亚历山大说,“我们的发现证明,太阳系中相当一部分水要比太阳更加古老。这意味着大量富含有机物的星际水冰,应该存在于所有年轻的行星系统之中。”

地球上至少有一部分水,在太阳形成之前就已经形成。在长达100万年的模拟时间中,自行生产出含氘的水冰。研究团队之所以这样做,是为了弄清楚这样一个行星系统能不能产生出我们在陨石样本、地球的海水和“时间胶囊”彗星中看到的那种氘氢比率。结果发现,他们的模型没办法做到这一点——这意味着,我们的太阳系中至少有一部分水起源于星际空间,可以追溯到太阳诞生之前。亚历山大说,“我们的发现证明,太阳系中相当一部分水要比太阳更加古老。这意味着大量富含有机物的星际水冰,应该存在于所有年轻的行星系统之中。”

太阳风是指从太阳日冕向行星际空间辐射的连续的等离子体粒子流,是典型的电离原子,由大约90%的质子和极少量其他元素的原子核组成。有科学家认为,地球上的水是太阳风的杰作。

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。

英国埃克塞特大学物理及天文学系的姆·哈里斯(Tim Harries)教授也参加了这项研究。他说:“在寻找其他行星上是否存在生命的征途上,这是向前迈进的重要一步。通过辨别地球上水的远古起源,我们能够了解太阳系的形成过程并不独特,太阳系外的行星也会在含有大量水的环境中形成。因此,这项研究提出了这样一种可能性:某些外星行星上很可能拥有适宜的环境,有水资源存在,让生命得以演化。”

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首先提出这一观点的科学家是托维利,他认为,太阳风到达地球大气圈上层,带来大量的氢核、碳核、氧核等原子核,这些原子核与地球大气圈中的电子结合成氢原子、碳原子、氧原子等,再通过不同的化学反应变成水分子。据估计,在地球大气的高层,每年几乎产生1.5吨这种“宇宙水”。然后,这种水以雨、雪的形式降落到地球上。

传统观点认为,在这场大撞击中地球之水在劫难逃。

该研究的第一作者、美国密歇根大学的博士研究生伊塞多尔·克利夫斯(Ilsedore Cleeves)说,“这些发现暗示,太阳系里的水至少有一部分是从太阳诞生的环境中继承下来的,因此要比太阳本身还要更加古老。如果太阳系的形成称得上典型的话,这意味着水在所有行星系统的形成过程中都是一种常见的原料。”

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更重要的是,地球水中的氢与氚含量之比为6700:1,这与太阳表面的氢氚比十分接近。因此托维利认为,这可以充分说明地球水来自太阳风。但太阳风在地球45亿年生命史中,也不过形成了67.5亿吨水,与现今地球表面的水贮量相比,不过九牛一毛。

地球之水来自天外?

克利夫斯还表示,“到目前为止,开普勒卫星已经发现了近1000颗得到证实的太阳系外行星。行星形成过程中水的广泛存在,表明银河系中生命遍地开花,前景相当乐观。”(编辑:Steed)

英国埃克塞特大学物理及天文学系的姆·哈里斯(Tim Harries)教授也参加了这项研究。他说:“在寻找其他行星上是否存在生命的征途上,这是向前迈进的重要一步。通过辨别地球上水的远古起源,我们能够了解太阳系的形成过程并不独特,太阳系外的行星也会在含有大量水的环境中形成。因此,这项研究提出了这样一种可能性:某些外星行星上很可能拥有适宜的环境,有水资源存在,让生命得以演化。”

与“外源说”相对的是“自源说”,“自源说”认为地球上的水来自于地球本身。地球是由原始的太阳星云气体和尘埃经过分馏、坍缩、凝聚而形成的。凝聚后的这些星子继续聚集形成行星的胚胎,然后进一步增大生长,形成原始地球。

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?

 

该研究的第一作者、美国密歇根大学的博士研究生伊塞多尔·克利夫斯(IlsedoreCleeves)说,“这些发现暗示,太阳系里的水至少有一部分是从太阳诞生的环境中继承下来的,因此要比太阳本身还要更加古老。如果太阳系的形成称得上典型的话,这意味着水在所有行星系统的形成过程中都是一种常见的原料。”

地球起源时,形成地球的物质里面就含有水。在地球形成时温度很高,水或在高压下存在于地壳、地幔中,或以气态存在于地球大气中。后来随着温度的降低,地球大气中的水冷凝落到了地面。岩浆中的水也随着火山爆发和地质活动不断释放到大气、降落到地表。

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。

编译来源 英国埃克塞特大学官网,Heritage of Earth's water gives rise to hopes of life on other planets;美国卡内基学院官网,Earth's water is older than the sun

克利夫斯还表示,“到目前为止,开普勒卫星已经发现了近1000颗得到证实的太阳系外行星。行星形成过程中水的广泛存在,表明银河系中生命遍地开花,前景相当乐观。”

还有一种说法认为,在地球形成的初阶段,其内部曾包含有非常丰富的氢元素,它们后来与地幔中的氧发生了反应并终形成了水。

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。

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你喝的水可能比太阳还古老

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。

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关于地球水的来源,地球科学家认为来源于地球自身演化过程中的岩浆水等,天文学家更倾向于是彗星等撞击地球带来的水。目前,两种观点谁也没能说服谁。近两年一些有趣的发现更是激起了科学家们的兴趣,比如,你日常喝的水也许比太阳还要古老……

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。

来自美国密歇根大学天文系的一项研究成果显示,存在地球、陨石、月球表面的水,可能比大约46亿岁的太阳系还“老”。这意味着现存于太阳系中的水,有部分来自于太阳系形成前的星际介质。

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。

参与研究的美国密歇根大学博士生克里夫斯表示:“太阳系诞生初期的环境条件并不适合水分子的合成。而在这种情况下,水就只可能来自于富含化学元素的外部星云。引人瞩目的是,这些水成功地在太阳系诞生的过程中幸存了下来。”

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。

为了探明水的“年龄”,研究人员决定从氢的同位素“氘”身上入手。氘,旧称“重氢”,常用于热核反应,在能源领域具有良好的前景,它们通常微量存在于我们周围的水中,并且很难自然形成。

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研究人员构建了专门的计算机模型,比对了彗星、行星、陨石及地球海洋水中氘的丰度。结果发现,这些样本的比率均高于正常情况下太阳系中氘的比率,也就意味着多出来的氘可能并不来源于太阳系。超出比率的氘可能来自氘丰度更高的寒冷星际空间,比太阳系更加“年长”。

地球之水或许有两个来源

水比太阳更古老,又是流星惹的。但并不是说我们周围的水都是太阳系的“长辈”,真正早于太阳系形成的水在其中的比例目前并不明确,不过其数量可能很可观。

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。

这一发现,不仅意味着我们每天可能在喝着来自遥远星际空间的水,还意味着宇宙中可能会有更多类似太阳系的系统,具备诞生生命的条件。这将有助于人类对行星系统的研究,人们或许将有更大机会找到另一个孕育生命的“地球”。

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。

地球水的“第四种形态”

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?

其实,绝大多数地球上的水并不是以我们所熟知的冰、水、气3种形式存在。水还有另外一种存在形式,这种形式异乎寻常——那就是封存在岩石中的水。

betway必威官网手机版,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。

可以说,这些岩石像一个巨大的水库,它的含水量至少与地球上所有河流、海洋和冰川中的水量加起来一样多,或许还是海洋水量的4倍、6倍甚至10倍,但它们一直被深埋在我们脚下410千米处。

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。

这种奇特的“第四种形态”的水,还可能隐匿在你家的厨房中。如果你家厨房的绿石灶台是用蛇纹石做成的,假设这块蛇纹石的灶台面板重约90千克,在这块石头中,就有约10千克水,即石头中可能融入了10升水。但是,这种融合并不像把鸡蛋搅在稀面糊中那样,而是水融进矿石的每个分子中,即裹在构成蛇纹石的镁、硅和氧原子的点阵结构中。几乎地下410千米深处的矿石大都以这样的方式融进了水——在410千米厚的岩石叠加在一起所产生的重力,以及约1093.33摄氏度高温加热的共同作用下,一个氢原子会离开水分子,留下一个羟基,而这个氢原子会融入矿石分子。科学家把这种融入水的矿石称为“水合矿物质”,即“水岩”。

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。

可以这样形象地解释:在适当的温度和压力下,某种矿石的确将水吸入其分子结构中,就像海绵吸水一样。而水分子进入矿石就会分解,分解为一个氢原子和一个羟基。所以矿石中绝对有水。

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%。

而且科学家至少从三方面得出了结论:水岩确实比没有水合状态时更柔韧,更易变形;科学家能用红外线分光镜测量出矿石分子结构中的水分子;重要的是,当矿石承受的压力和温度以适当的方式被去除时,氢原子和羟基就会从矿石中脱离,以水的形式从矿石中流出。

拓展阅读:

科学家认为,这种水岩遍布地下400-650千米的深处,厚达240千米,比地球表面的水层还要厚。即使这种矿石的含水量只有1%,其水量也很大,相当于地球海洋水量的几倍。记者 雷册渊 整理

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。

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