撰文?戴維·朱伊特（David Jewitt）、愛德華·D·楊（Edward D. Young）

戴維·朱伊特是美國國家科學院院士和加利福尼亞大學洛杉磯分校的教授。愛德華·D·楊是加利福尼亞大學洛杉磯分校的地球化學和天體化學教授，也是該校的行星與太陽系外行星研究所的成員。

翻譯?劉大明

 

太陽系中所有水的起源都可以追溯到一團巨大的、由塵埃和氣體構成的原始星云。正是這團星云在大約45億年前坍縮，形成了太陽和各個行星。這團星云富含氫和氧——這是構成水的兩種元素。當孕育出太陽系的星云坍縮時，自身的角動量讓它收縮成了一個旋轉的圓盤，原行星盤里較小的物體相互碰撞并粘在一起形成更大的物體，微小的塵埃變成石塊，石塊變成巨石，巨石再變成直徑為千米量級的行星建筑構件——星子。行星形成后剩下了許多星子，它們便成了我們今天所看到的小行星和彗星。

原行星盤靠近太陽的內部區域時，氣體摩擦產生的熱量和更充足的陽光可能蒸干了氫和其他較輕的元素，只給行星留下了相對較為干燥的材料。當干燥的巖石天體在靠近太陽的地方迅速成長的時候，附近某處（也就是現在的小行星帶和木星所在的位置）的行星盤溫度低到可以讓水和其他易揮發的物質結成冰。天文學家把這個臨界點稱作“雪線”。傳統理論認為，地球上的水絕大部分是由雪線之外的冰質小行星和彗星帶來的，它們可能是在行星形成的最后階段被太陽系外部的巨行星拋進了內太陽系。

最近，天文學家觀測到了其他正在孕育行星的恒星，也為其提供了更多有關雪線和后期星子碰撞的證據。關于海洋誕生的故事充滿謎團，這也正是現在研究的熱點。新的證據正不斷引領科學家接近這些問題的答案：海洋到底是何時、怎樣形成的？海洋中的水主要來自彗星還是小行星？還是有什么完全不同的機制把水送到了我們這個曾經干旱的星球？

被榨干的行星

從太空中看，或許地球更適合被稱為“水球”。地球表面的三分之二被水覆蓋，地球上海洋的平均深度約為4千米。然而一個令人驚訝的事實是：這些海水只占地球總質量的0.02%。

更多的水隱藏在我們腳下深處，埋在由巖石構成的地幔中。地幔的厚度有3000多千米，從地殼下面一直延伸到地心液態鐵核的邊緣。地幔中的水不是以液態存在的，而是被束縛在“水合”巖石和礦物的分子結構中。在地下更深處，隱藏著由鐵和鎳組成的沉重地核。地核的質量占地球總質量的30%，其中所含的水量甚至有可能比地幔還多，確切地說，這里的“水”不以水的形式存在。在地核極端高溫、高壓的環境下，水中的氫和氧處于分離狀態。

沒人知道我們的行星內部究竟隱藏著多少水。科學家既缺少直接的樣本，也不知道水在地表和地下之間來回輸送的效率有多高，難以確定地球深處的水量。一個合理的猜測是，地幔自己的含水量至少相當于海洋的總水量。即便如此，把這些水和海水加在一起，也僅占地球總質量的0.04%。盡管我們擁有的水雖然不多，但仍需要研究清楚這些水究竟是怎么來的。

 

彗星還是小行星

一般研究認為過去的地球甚至比現在還要干燥，所以研究者在調查水的來源時，通常把注意力放在地球形成過程中相對較晚的階段，也就是月球誕生之后。大約45億年前，地球與一個相當于火星大小的天體發生了碰撞，飛濺出的物質在冷卻后聚集到一起形成了月球。這次全球規模的撞擊釋放出的能量幾乎把地球的大氣一掃而空，并且蒸干了所有海洋里的水，制造出了一個深達數百千米的“巖漿海洋”。可以說，這次碰撞所帶來的毀滅性打擊將行星原有的水都清除干凈了。

認識到這些以后，科學家一直在尋找可以在地月系統形成并冷卻后為地球供水的水源。在20世紀50年代，人們就知道彗星是富含冰的天體，那些進入內太陽系的彗星來自兩個位于外太陽系的巨大“彗星庫”，一個名為柯伊伯帶（范圍大約是從冥王星的軌道開始），另一個是奧爾特云（范圍起始于柯伊伯帶之外更遠的地方，大約一直延伸到太陽和最近恒星中間的位置）。許多研究者曾認為，彗星可能就是地球海洋的最主要來源。

在上世紀八九十年代，研究者首次成功測量了奧爾特云彗星的氘氫比（D/H）。氘與普通氫元素含量的比值可以用作追蹤天體歷史的標記，如果地球的海洋是由融化的彗星組成的，那么海水的氘氫比應該與我們今天觀測到的彗星類似。但天文學家發現，奧爾特云彗星的氘氫比是普通海水的2倍。顯然，地球上的水應該主要來自別的地方。

過去幾年中，天文學家觀測了柯伊伯帶的一些彗星，結果發現它們的氘氫比與海洋相似，這使得地球的水來自彗星的理論一度重獲新生。但2014年底，歐洲空間局的 “羅塞塔”號探測器發現源于柯伊伯帶的67P/楚留莫夫-格拉希門克彗星的氘氫比是地球海洋的3倍。這一證據表明，雖然偶爾發生的彗星撞擊肯定給地球帶來了一些水，但這種機制不大可能是地球上水的主要來源。

彗星之外的另一個選擇是小行星。現在，地球上的水大多來自小行星的觀點已得到了學術界的普遍認同。主帶小行星（main-belt asteroid）的軌道在火星與木星之間，它們一旦離開原來的軌道，撞上地球的機會遠大于彗星，遍布月面的環形山就是遠古小行星撞擊留下的痕跡，也有些來自小行星的碎石落到了地球表面。通過研究這些稀有的小行星碎片，我們可以探索小行星更久遠的過去，并判斷它們是否有可能為地球送來海洋。

不同小行星的成分和含水量差異很大。在主小行星帶的內側邊緣會產生幾乎不含水的石質隕石，而在主帶上更靠外的區域存在含水量相對較高的小行星。這些小行星制造出的隕石一般是由水合礦物和碳酸鹽組成的碳粒隕石，這種隕石里的水在總重量中所占的比例可達數個百分點。碳粒隕石中富含水的礦物是巖石與液態或氣態的水進行反應而生長出來的。這種反應需要的溫度相對較低，大約為幾百攝氏度。在地球上，這類礦物是水滲入多孔巖石時形成的。而在隕石里，它們的存在證明小行星中的冰曾在某個時期融化并在巖石間流動。

幾乎可以肯定的是，導致這些冰融化的熱源是鋁的一種放射性同位素——鋁26。這種元素在早期的太陽系中曾大量存在，后來衰變為鎂的同位素鎂26，在數百萬年中釋放出了大量的能量。在年輕太陽系寒冷的外部區域——雪線之外，鋁26衰變釋放出的熱是一種強大但又短暫的力量，富含揮發性物質的小行星的地質與水文特征就是在這種力量的塑造下形成的。在行星形成的最后階段，外部氣態巨行星的引力將剩余的材料擲向遍布整個太陽系，也把富含水的小行星從雪線之外拋向了地球和其他巖質行星。

但這一理論似乎還存在一個關鍵瑕疵。氙、氬等稀有氣體因化學性質很不活潑、幾乎不與任何其他化合物發生反應而被用作許多物理過程的示蹤物，相對來說不易受到混亂的化學效應的影響。如果巖質行星和小行星之間聯系緊密，稀有氣體的比例也應該是相似的。但是，研究者測量了落到地球上的隕石和火星巖石的氙氬含量比，結果發現地球和火星上的稀有氣體與隕石相比要少得可憐。

難有定論

彗星和小行星的區別可能并沒有我們過去想的那么簡單。研究人員最近發現了一種特殊的彗星——主帶彗星，這種天體的軌道在小行星帶內，卻會像普通的彗星一樣周期性地噴射塵埃。軌道在雪線以內的主帶彗星飽受日曬，理應耗盡了揮發性物質，但令人意外的是，它們竟然還保留著冰。

地球擁有的水相對較少，但能送來這些水的途徑很多，這些都與行星的歷史、撞擊行星的天體和這些天體形成的初始條件緊密相關。科學家對這些問題的認識尚不確定，但這也給給那些更為奇異的送水方式留下了充足的空間。

近年來，比彗星和小行星更大的天體引起了人們的注意。被稱為矮行星的谷神星直徑900千米，是太陽系中最大的小行星。一般認為，水占了谷神星總質量的一多半。2014年初，研究者目擊了以20000千米/時的速度沖出這顆矮行星表面的水蒸氣噴流，這為谷神星富含水提供了關鍵的證據。如果像許多人猜測的那樣，谷神星有一半是水，那么地球上全部的水——地下和地表的都加在一起，就相當于5個谷神星式的天體所含的水量。

這類天體在混亂的早期太陽系中遠比現在常見，因此不難想象，有幾顆谷神星式的天體闖進了內太陽系并撞上了地球。只要有四五個這樣的天體，就足夠為我們的行星帶來海洋而無需再受大量小行星和彗星的“洗禮”。美國航空航天局的“黎明”號探測器在2015年3月結束了探索谷神星的使命，讓研究人員可以近距離觀察谷神星的冰和噴出的氣體，今后的太空探測也將讓人們更多地了解地球上水的得與失。

 

本文由《環球科學》（《科學美國人》中文版）供稿，編者有刪改。

 

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地球上的水來源之謎

圖文簡介

太陽系中所有水的起源都可以追溯到一團巨大的、由塵埃和氣體構成的原始星云