地球上的水来源之谜

　　撰文 戴维·朱伊特（David Jewitt）、爱德华·D·杨（Edward D. Young）

　　戴维·朱伊特是美国国家科学院院士和加利福尼亚大学洛杉矶分校的教授。爱德华·D·杨是加利福尼亚大学洛杉矶分校的地球化学和天体化学教授，也是该校的行星与太阳系外行星研究所的成员。

　　翻译 刘大明

　　太阳系中所有水的起源都可以追溯到一团巨大的、由尘埃和气体构成的原始星云。正是这团星云在大约45亿年前坍缩，形成了太阳和各个行星。这团星云富含氢和氧——这是构成水的两种元素。当孕育出太阳系的星云坍缩时，自身的角动量让它收缩成了一个旋转的圆盘，原行星盘里较小的物体相互碰撞并粘在一起形成更大的物体，微小的尘埃变成石块，石块变成巨石，巨石再变成直径为千米量级的行星建筑构件——星子。行星形成后剩下了许多星子，它们便成了我们今天所看到的小行星和彗星。

　　原行星盘靠近太阳的内部区域时，气体摩擦产生的热量和更充足的阳光可能蒸干了氢和其他较轻的元素，只给行星留下了相对较为干燥的材料。当干燥的岩石天体在靠近太阳的地方迅速成长的时候，附近某处（也就是现在的小行星带和木星所在的位置）的行星盘温度低到可以让水和其他易挥发的物质结成冰。天文学家把这个临界点称作“雪线”。传统理论认为，地球上的水绝大部分是由雪线之外的冰质小行星和彗星带来的，它们可能是在行星形成的最后阶段被太阳系外部的巨行星抛进了内太阳系。

　　最近，天文学家观测到了其他正在孕育行星的恒星，也为其提供了更多有关雪线和后期星子碰撞的证据。关于海洋诞生的故事充满谜团，这也正是现在研究的热点。新的证据正不断引领科学家接近这些问题的答案：海洋到底是何时、怎样形成的？海洋中的水主要来自彗星还是小行星？还是有什么完全不同的机制把水送到了我们这个曾经干旱的星球？

　　被榨干的行星

　　从太空中看，或许地球更适合被称为“水球”。地球表面的三分之二被水覆盖，地球上海洋的平均深度约为4千米。然而一个令人惊讶的事实是：这些海水只占地球总质量的0.02%。

　　更多的水隐藏在我们脚下深处，埋在由岩石构成的地幔中。地幔的厚度有3000多千米，从地壳下面一直延伸到地心液态铁核的边缘。地幔中的水不是以液态存在的，而是被束缚在“水合”岩石和矿物的分子结构中。在地下更深处，隐藏着由铁和镍组成的沉重地核。地核的质量占地球总质量的30%，其中所含的水量甚至有可能比地幔还多，确切地说，这里的“水”不以水的形式存在。在地核极端高温、高压的环境下，水中的氢和氧处于分离状态。

　　没人知道我们的行星内部究竟隐藏着多少水。科学家既缺少直接的样本，也不知道水在地表和地下之间来回输送的效率有多高，难以确定地球深处的水量。一个合理的猜测是，地幔自己的含水量至少相当于海洋的总水量。即便如此，把这些水和海水加在一起，也仅占地球总质量的0.04%。尽管我们拥有的水虽然不多，但仍需要研究清楚这些水究竟是怎么来的。

　　彗星还是小行星

　　一般研究认为过去的地球甚至比现在还要干燥，所以研究者在调查水的来源时，通常把注意力放在地球形成过程中相对较晚的阶段，也就是月球诞生之后。大约45亿年前，地球与一个相当于火星大小的天体发生了碰撞，飞溅出的物质在冷却后聚集到一起形成了月球。这次全球规模的撞击释放出的能量几乎把地球的大气一扫而空，并且蒸干了所有海洋里的水，制造出了一个深达数百千米的“岩浆海洋”。可以说，这次碰撞所带来的毁灭性打击将行星原有的水都清除干净了。

　　认识到这些以后，科学家一直在寻找可以在地月系统形成并冷却后为地球供水的水源。在20世纪50年代，人们就知道彗星是富含冰的天体，那些进入内太阳系的彗星来自两个位于外太阳系的巨大“彗星库”，一个名为柯伊伯带（范围大约是从冥王星的轨道开始），另一个是奥尔特云（范围起始于柯伊伯带之外更远的地方，大约一直延伸到太阳和最近恒星中间的位置）。许多研究者曾认为，彗星可能就是地球海洋的最主要来源。

　　在上世纪八九十年代，研究者首次成功测量了奥尔特云彗星的氘氢比（D/H）。氘与普通氢元素含量的比值可以用作追踪天体历史的标记，如果地球的海洋是由融化的彗星组成的，那么海水的氘氢比应该与我们今天观测到的彗星类似。但天文学家发现，奥尔特云彗星的氘氢比是普通海水的2倍。显然，地球上的水应该主要来自别的地方。

　　过去几年中，天文学家观测了柯伊伯带的一些彗星，结果发现它们的氘氢比与海洋相似，这使得地球的水来自彗星的理论一度重获新生。但2014年底，欧洲空间局的 “罗塞塔”号探测器发现源于柯伊伯带的67P/楚留莫夫-格拉希门克彗星的氘氢比是地球海洋的3倍。这一证据表明，虽然偶尔发生的彗星撞击肯定给地球带来了一些水，但这种机制不大可能是地球上水的主要来源。

　　彗星之外的另一个选择是小行星。现在，地球上的水大多来自小行星的观点已得到了学术界的普遍认同。主带小行星（main-belt asteroid）的轨道在火星与木星之间，它们一旦离开原来的轨道，撞上地球的机会远大于彗星，遍布月面的环形山就是远古小行星撞击留下的痕迹，也有些来自小行星的碎石落到了地球表面。通过研究这些稀有的小行星碎片，我们可以探索小行星更久远的过去，并判断它们是否有可能为地球送来海洋。

　　不同小行星的成分和含水量差异很大。在主小行星带的内侧边缘会产生几乎不含水的石质陨石，而在主带上更靠外的区域存在含水量相对较高的小行星。这些小行星制造出的陨石一般是由水合矿物和碳酸盐组成的碳粒陨石，这种陨石里的水在总重量中所占的比例可达数个百分点。碳粒陨石中富含水的矿物是岩石与液态或气态的水进行反应而生长出来的。这种反应需要的温度相对较低，大约为几百摄氏度。在地球上，这类矿物是水渗入多孔岩石时形成的。而在陨石里，它们的存在证明小行星中的冰曾在某个时期融化并在岩石间流动。

　　几乎可以肯定的是，导致这些冰融化的热源是铝的一种放射性同位素——铝26。这种元素在早期的太阳系中曾大量存在，后来衰变为镁的同位素镁26，在数百万年中释放出了大量的能量。在年轻太阳系寒冷的外部区域——雪线之外，铝26衰变释放出的热是一种强大但又短暂的力量，富含挥发性物质的小行星的地质与水文特征就是在这种力量的塑造下形成的。在行星形成的最后阶段，外部气态巨行星的引力将剩余的材料掷向遍布整个太阳系，也把富含水的小行星从雪线之外抛向了地球和其他岩质行星。

　　但这一理论似乎还存在一个关键瑕疵。氙、氩等稀有气体因化学性质很不活泼、几乎不与任何其他化合物发生反应而被用作许多物理过程的示踪物，相对来说不易受到混乱的化学效应的影响。如果岩质行星和小行星之间联系紧密，稀有气体的比例也应该是相似的。但是，研究者测量了落到地球上的陨石和火星岩石的氙氩含量比，结果发现地球和火星上的稀有气体与陨石相比要少得可怜。

　　难有定论

　　彗星和小行星的区别可能并没有我们过去想的那么简单。研究人员最近发现了一种特殊的彗星——主带彗星，这种天体的轨道在小行星带内，却会像普通的彗星一样周期性地喷射尘埃。轨道在雪线以内的主带彗星饱受日晒，理应耗尽了挥发性物质，但令人意外的是，它们竟然还保留着冰。

　　地球拥有的水相对较少，但能送来这些水的途径很多，这些都与行星的历史、撞击行星的天体和这些天体形成的初始条件紧密相关。科学家对这些问题的认识尚不确定，但这也给给那些更为奇异的送水方式留下了充足的空间。

　　近年来，比彗星和小行星更大的天体引起了人们的注意。被称为矮行星的谷神星直径900千米，是太阳系中最大的小行星。一般认为，水占了谷神星总质量的一多半。2014年初，研究者目击了以20000千米/时的速度冲出这颗矮行星表面的水蒸气喷流，这为谷神星富含水提供了关键的证据。如果像许多人猜测的那样，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，就相当于5个谷神星式的天体所含的水量。

　　这类天体在混乱的早期太阳系中远比现在常见，因此不难想象，有几颗谷神星式的天体闯进了内太阳系并撞上了地球。只要有四五个这样的天体，就足够为我们的行星带来海洋而无需再受大量小行星和彗星的“洗礼”。美国航空航天局的“黎明”号探测器在2015年3月结束了探索谷神星的使命，让研究人员可以近距离观察谷神星的冰和喷出的气体，今后的太空探测也将让人们更多地了解地球上水的得与失。

    本文由《环球科学》（《科学美国人》中文版）供稿，编者有删改。

　　更多精彩！欢迎关注“科普中国-科技前沿大师谈”官方微信（kjqydst）。

　　作者： 戴维·朱伊特 爱德华·D·杨 [责任编辑: 阎冬]