每日科普|你喝的这杯水，得从138亿年前宇宙诞生说起

科学大院2023-05-15从呱呱坠地的那一刻起，人类的生活就离不开水。日常生活需要饮用水、取水做饭、清洗身体，而社会各行各业的生产也和水资源的利用存在密切的关系。正因如此，水也被人们赋以美称——生命之源。

据统计，全球约有四分之三的面积覆盖着水。所以从太空俯瞰地球，会觉得这颗星球“水汪汪”的，地球也因此被冠以“蓝色星球”的别称。那么，地球上如此丰富的水资源究竟是从何而来呢？

“生命之源”从哪来？

如果只用一句话回答水从何而来这一问题的话，应该是——地球上的水来自火山喷发。

从化学成分上来看，水（H2O）只是由氢元素和氧元素组成的一种化学物质。其中，氢很容易失去电子（具有还原性），氧则很容易获得电子（也就是具有氧化性）。只要能遇到一起，这两种元素就很容易结合形成水分子。

而巧合的是，全宇宙都不缺氢和氧这两种元素，自然也就不缺水。现在问题又来了，宇宙中的元素又是从何而生的呢？

从宇宙“大爆炸”聊起

谈到元素的起源和分布，我们就不得不回到大约138亿年前宇宙诞生的初期。

根据广义相对论的推断，在宇宙诞生时，所有宇宙的物质和能量都集中在一个极小的空间内，这个空间内温度、压力和密度都极大，这个空间被称为奇点。

随后，宇宙开始以极快的速度膨胀，以我们容易理解的方式来说，就好像是奇点突然爆炸开来，其空间无限扩大，所以这个过程又被科学家形象地称为**“大爆炸”。**

这就是宇宙的起点。在大爆炸后的最早时刻，宇宙中的温度依然极高，物质密度也极高——但是这些物质不是我们熟知的各种元素，而是一种由光子、轻子和夸克-胶子组成的炽热、致密的等离子体。

很快，在大爆炸后10-4秒的时间尺度上，夸克和胶子已经凝聚成了中子和质子（单个的质子就是氢元素核），轻子则变成了电子。到了大爆炸后的3分钟左右，质子和中子合成为氚（氢的一种同位素）、氦、锂等元素，这使得早期宇宙的气体中含有约75%的氢元素，25%的氦元素以及极少量的锂元素，这些元素是后来形成的所有元素的基石。

在大爆炸后大约4亿年开始，这些最初的元素汇聚成团，可能形成了宇宙中最早的恒星，这些恒星全部由气体构成，但是在恒星中开启了新一轮的核合成。

核合成的过程简而言之就是轻的元素会通过核聚变合成更重的元素，这有点类似曾经火爆一时的2048小游戏：两个1变成2，两个2变成4，两个4变成8……

这就导致一个结果，即在整个元素周期表中，原子序数越轻，这种元素就越多。目前对太阳系中的元素丰度（简单理解就是元素的丰富程度）的研究已经印证了这一点。

所以从这种意义上来看，形成水的元素基础是丰富的。

这些元素最初可能处于非常炽热的状态，以至于它们一直以气态分子云的形式存在（也有理论说，可能是冷的分子云，但是我们没必要纠结这些）。随着降温，气态分子云开始形成各种液滴，液滴又形成固体小颗粒。

我们可以想象，水从水蒸气到液态水再到冰的这个过程。所有元素都这样，热的时候是等离子态，随着降温逐渐转化为气态、液态和固态。这些混合了许多元素的分子云降温后自然也是如此。

不过，由于分子云中元素混杂，所以会形成许多复杂的化合物，**这些化合物中，大部分都是以矿物的形式存在，而氢元素和氧元素则以元素形式存在于矿物中。**例如，我们非常熟悉的石英，其化学成分为二氧化硅，在其中就有氧元素的身影。很多其他的矿物中则会包含氢元素，如此一来，氢氧元素便以元素的形式分别赋存于矿物之中。

**当然，也有时候它们以氢氧根的形式存在，以矿物的结合水的形式存在等等。**总而言之，氢氧元素会以各种不同的面貌存在于矿物中。

行星们是怎么形成的呢？就是由气态分子云降温，形成小矿物颗粒，小矿物颗粒再继续碰撞长大，形成星子，星子继续碰撞，形成大的行星。我们的太阳系就是这么形成的。

可以想见，这些行星的诞生过程必定极为壮观。无数星子不断撞击在各大行星上，在让它们越来越大的同时也让撞击点附近越来越热，这些小星子携带的放射性物质也因为熔融而汇聚在行星内部，源源不断为行星提供热量，最后整个行星可能都成了一个完全的岩浆球。

行星圈层结构的诞生

岩浆实际上是一种高温的流体，原本被包裹在固态星子中的氢元素和氧元素就重新在岩浆中活动起来了，一部分就通过化学反应合成了水蒸气，并以气泡的形式往外冒。

以类地行星为例，这些刚刚诞生的行星都是一个个岩浆球，而宇宙背景温度是-270℃，所以它们很快就会降温，最先冷却下来的就是行星地表，这就形成了原始的壳，而更深处的降温就慢了很多。

除了温度之外，**在重力作用下，密度大的物质下沉，密度小的物质上浮，于是就形成了我们如今见到的各大行星的圈层结构：**冷却固结的行星壳，地壳之下是缓慢流动（类似橡皮泥形态）的行星幔，最中心就是最热（几乎与太阳表面温度相似）的铁镍质行星核了。

有了这个知识背景，我们就可以理解水的来源，以及为什么水能够在各大（岩质）行星上普遍存在。

**最早期的水，来自岩石行星冷却时候岩浆中冒出的水蒸气。**在行星壳冷却成为陆地之后，水蒸气随即冷凝变成雨水，然后又汇集于陆地表面形成地表水（地球、火星上都形成了大面积的海洋）。水星及金星的情况在此略过不讲，但是我们也经常从新闻中得知在其上发现了水的证据。

具体到地球的例子，我们都知道地球上存在许多火山，在遥远的地质历史时期，火山更多，而火山喷发出来的白色或灰色烟柱中，至少有80%都是水蒸气。它们源源不断地喷发，也源源不断地为地球带来新的水分。

结语

关于地球上水的来源，一直以来都是众说纷纭。但不可否认的是，无论是涓涓细流，还是错落层叠的瀑布、浩浩汤汤的江河湖海，作为地球“心脏”的水，在这颗星球上，在漫长的时空中，它每时每刻滋养着大大小小的生命，润物细无声。（作者：地星引力）

责任编辑：胡惠雯