地球表面大约70%被水覆盖,水在我们的日常生活中扮演着重要的角色。但是水最初是如何到达地球的呢?
我们坐落在太阳系中,与太阳的距离正好让液态水得以存在。再远一点,水就会结冰。再靠近一点,温度就会太高,我们就会面临失控的温室效应的风险,就像金星灼热的表面上发生的事情一样。我们所处的位置既不太冷也不太热是一件很好的事情,因为水是生命所必需的条件。
但是这些水是怎么来的呢?水是我们这个星球的一个标志性特征,它在我们的日常生活中扮演着如此重要的角色。了解水是如何到达地球的也是了解生命是如何以及何时在这里进化的关键部分。但我们甚至不知道它是怎么来的。科学家们仍在积极研究我们的星球最初是如何变得如此潮湿的。
早期地球
我们目前对行星形成的认识始于原行星盘,一个由气体和尘埃组成的大圆盘,围绕着我们新形成的太阳旋转。当圆盘中的尘埃和冰颗粒相互作用时,这些颗粒开始形成越来越大的团块。最终,这些团块形成了我们所说的星子,即构成岩石行星和巨型行星的基石。
但在太阳系形成的早期,圆盘在我们地球现在所在的位置要热得多。因此,尽管在组成圆盘的碎片中极有可能存在水分子,但由于温度太高,水无法凝结成液体,反而蒸发了。更重要的是,早期的地球还没有大气层,使得液态水更容易被吹到太空中去。这给我们留下了一些困惑。如果地球不可能从这个圆盘上形成完整的海洋,那么它们是如何形成的呢?
彗星和小行星
如果地球上的水不是和地球一起形成的,那么,行星科学家怀疑,它一定是后来通过地外信使传送过来的。小行星和彗星都造访过地球,而且已知它们都有冰。事实上,小行星和彗星含有足以产生相当于地球海洋水量的冰。
所以,问题就解决了吗?不完全是。是彗星还是小行星给地球带来了水?它是一个单一的事件,还是许多?是多久以前的事?
要确定是小行星还是彗星给我们带来了海洋,一种方法是观察这些宇宙物体的化学组成,并将其与地球的化学组成进行比较,看哪一个更相似。例如,一个水分子总是有10个质子(8个来自氧分子,2个来自氢分子),通常有8个中子(仅来自氧分子)。但是不同的水同位素可能有额外的中子。例如,重水,就是我们所说的由氧和氘构成的水,氘是氢的一种同位素,或者只是氢加上一个中子。
2014年发表在《科学》杂志上的一项研究考察了水的不同同位素(中子数不同的水分子)的相对数量,这些同位素被认为是从古代小行星灶神星坠落到地球的陨石上的。灶神星是小行星带中的第二大天体,其表面布满了大量的陨石坑,表明过去曾发生过多次激烈的碰撞。
灶神星岩石样本的同位素分布与地球上的相同。这并不是说灶神星一定是我们的水源,而是说一个或几个与灶神星在年龄和组成上相似的物体可能是我们的水源。
但争端仍远未解决。有一段时间,对彗星的研究似乎支持了地球上的水来自小行星的观点。最近的罗塞塔飞船是第一个绕彗星轨道运行的航天器,也是第一个将着陆器(称为“菲莱”)送到彗星表面的航天器。多亏了罗塞塔和菲莱,科学家们发现彗星上的重水(由氘组成的水)和“普通”水(由普通氢组成的水)的比例与地球上的不同,这表明地球上最多10%的水可能来自彗星。
然而,在2018年,通过对46P/Wirtanen彗星的近距离观测,行星科学家们可以更详细地观察它的同位素构成。他们发现这颗彗星的氘和氢的比例与地球上的相似。那么,这颗彗星与罗塞塔和菲莱所研究的彗星有什么不同呢?
嗯,46P/Wirtanen彗星来自一种被称为“极度活跃”的彗星,这意味着它们在接近太阳时比普通的彗星释放更多的水。它们是怎么做到的呢?当一颗标准彗星接近太阳的热量时,其核心的冰粒子升华或直接从固态冰变成气体,然后再凝结成液态水。但是极度活跃的彗星不仅失去了核内的冰,也失去了大气中富含冰的粒子,这些粒子之前是被加热后从核中释放出来的,但现在仍然存在。这些冰冷的粒子可能是使极度活跃的彗星的同位素比率与地球上的更相似的原因。
因此,尽管超级活跃的彗星比较罕见,但它们的同位素比例与地球上的类似,这一事实使它们重新成为地球上水的可能来源。
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