地球上的水，来自外太空？

2024-01-25

大众科学 2023年10期

图片来源：Pxhere

我们每天都离不开的水，大概已经有45亿年的历史了。水，这种维持了地球生命的物质，与地球本身一样古老。

天体物理学家并不完全清楚地球上的水来自哪里，但有间接的证据表明，在地球的“婴儿时期”，一些含水陨石可能撞击了地球。富含水的陨石把地球变成了一个独特的潮湿世界。

从另外的角度看，尽管我们的星球被覆盖了约14亿立方千米的水，但它仍比人们想象的要干燥。法国波尔多天体物理实验室的天文学家肖恩.N.雷蒙德（SeanN.Raymond）将地球与饼干进行了比较，地球的水含量可能只有0.023%，而饼干的水含量约为2%。

不过，今天的地球仍然比地球刚诞生时的水分要多得多。

干燥的起源

太阳系刚开始形成的时候，所有的行星都非常热，无法容纳水。“地球和火星应该非常干燥，”中佛罗里达大学的小行星专家温贝托·坎平斯说，“因为它们位于太阳系的冻结线中。”

46亿年前，当太阳从坍塌的气体和尘埃云中凝聚出来时，它的巨大热量形成了一个边界，称之为冻结线。在冻结线外面，空间足够凉爽，冰粒可以凝固。因此，离太阳较远的木星和土星有海洋卫星；而地球和其他内行星只有干燥的岩石和残留的致密金属。

直到几百万年后，一些特殊事件把水带到了地球上。天文学家已经探索了几种可能的情况。

月球表面的陨石坑表明，太阳系的冻结线不断受到太空岩石的撞击，包括一场被称为“晚期大轰炸”的特别猛烈的陨石阵雨。一些专家认为，这些陨石风暴，即坠落到地球上的小行星碎片，就像是来自太空的水气球。

另外，科学家猜想，给地球送水的也许还有其他家伙。例如：来自太阳星云的气体将氢溶解到了地球的岩浆层中。

元素匹配

宇宙中最常见的氢形式，是一个电子环绕着一个质子，但还有一个稍微不同的版本，叫做氘，质子和中子被压缩在氘的中心。天文学家测量了地球水中氘与普通氢的比例，并在太阳系周围的其他天体中寻找类似的“氘-氢比”。

一颗年轻的恒星和周围的冻结线，水集中在冰雪皑皑的外缘图片来源：A.Angelich （Nrao/Aui／Nsf）／Alma（Eso/Naoj／Nrao）

事实证明，碳质球粒陨石（一种陨石）和地球的氘-氢比很相似。如果把我们的太阳系想象成一个古老的建筑工地，那么球粒陨石就是繁多的瓦砾。它们来自小行星带的外部，可能形成在冻结线更潮湿一侧。科学家估计，大约一吨富含冰和水矿物质的碳质太空陨石可以向地球输送50至100公斤的水，木星和土星在初期迅速膨胀的时候，将这些陨石甩到了太阳系的内行星，包括地球。

陨石含有大量有机物质，如碳和其他与生命相关的分子。它们还含有挥发性物质，如太阳系早期的水、锌和氢。地球上可以找到这些物质，但仍然有一些地球上的揮发性物质陨石中并没有。“碳质球粒陨石给地球带来了水，但并没有给地球带来惰性气体，”坎平斯说，一定还有其他“外星来客”给地球送来了礼物。

巧合的是，欧洲航天局的罗塞塔探测器和菲莱着陆器对彗星67P进行了仔细研究，发现其含有大量的惰性气体。

于是有了一个猜想：一群太空天体带着惰性气体、水和其他物质撞击了地球。坎平斯说：“大部分水也许是由小行星撞击产生的，而大部分惰性气体可能是由彗星产生的。但我认为，自然界比这更复杂一些，可能这两者出现的时间并不相同。”

相反的例子很快就出现了，最新的科学研究发现，一种不同的太空岩石才可能是地球水的来源，这种岩石来自离地球更近的地方。

地球附近的陨石

非碳质陨石的成分与地球最初的组成成分相似。由于它们形成于内太阳系——小行星带的地球这一侧，天文学家将它们归类为“非碳质”。虽然它们不像遥远的小行星那样含有大量的水，但它们也能带来一些冲击力。2020年发表在《科学》杂志上的一篇论文得出结论，过去的天体物理学模型大大低估了小行星中的氢含量，使“地球附近的陨石是干的”这一旧观点不攻自破。这些陨石的氘-氢比也很符合。