水从哪里来?

2019-06-13 02:51来源:中科院地质地球所

摘要:水,是地球生物赖以生存的必要条件之一。从太空上看,地球是个充满水的蓝色星球,71%的面积都被水所覆盖。全球水的体积约为13亿8600万立方千米,总质量接近140亿亿吨。

水,是地球生物赖以生存的必要条件之一。从太空上看,地球是个充满水的蓝色星球,71%的面积都被水所覆盖。全球水的体积约为13亿8600万立方千米,总质量接近140亿亿吨。

水覆盖了71%的地球表面

美国地质勘探局(USGS)的模拟研究表明,将地球上所有的海洋、河流全都抽出汇集在一起时,就会变成下面这样直径约1385km的水珠。

地球和水

地球上水的起源,或者为什么地球上的液态水明显多于太阳系其他岩石行星上的液态水,目前还没有完全弄清楚。关于在过去的45亿年里,地球表面的水是如何积累到足以形成海洋的数量的,存在着许多或多或少相互兼容的假说。

自生说

地球起源时,形成地球的物质里面就含有水。在地球形成时温度很高,水或在高压下存在于地壳、地幔中,或以气态存在于地球大气中。后来随着温度的降低,地球大气中的水冷凝落到了地面。且储存在地球岩石中的含水矿物逐渐“脱水熔融”,也造成了水的泄漏,形成了一部分地球上的水。最近的研究表明,地球深部的地幔过渡带可能是一个巨大的“水的储库”,主要组成矿物瓦兹利石和林伍德石都有着很强的储水能力。

直径约150微米的林伍德石蓝色晶体

水也可能来自火山活动:岩浆中的水随着火山爆发变成大气中的水蒸气凝结成雨,降落到地表,慢慢填充地球的海洋盆地。从现代火山活动情况看,几乎每次火山喷发都有约75%以上的水汽喷出。据此有人认为,在地球的全部历史中,火山喷出的水也可占现代全球大洋水的一半。

巴布亚新几内亚的Tavurvur火山爆发

西西里岛层状火山喷发

外生说

太阳风可能将水带到了地球。太阳风是指从太阳日冕向星际空间辐射的连续的等离子体粒子流,是典型的电离原子,由大约90%的质子(氢核)、7%的α粒子(氦核)和极少量其他元素的原子核组成。太阳风到达地球大气圈上层,带来大量的氢核、碳核、氧核等原子核,这些原子核与地球大气圈中的电子结合成氢原子、碳原子、氧原子等,再通过不同的化学反应变成水分子。但太阳风在地球45亿年生命史中,也仅形成了67.5亿吨水,与现今地球表面的水贮量相比,不过九牛一毛。

地球磁层示意图——太阳风从左向右流动

来自小行星带外缘的彗星、外海王星天体或富含水的流星体与地球碰撞也可能会将水带到海洋。

已知最大的外海王星天体

大部分的水可能是彗星带来的,离太阳近的空间水分子是很难存在的,但是小行星带这里距离太阳相对较远,大约有3亿公里,水分子都以冰晶的形式存在。这里的小行星可以收集到大量的冰晶颗粒。彗星主要就是由水冰、尘埃和岩石等组成且水冰居多。有一种可能是当远处的彗星向着太阳系进发时,它们就像一辆辆运水车,经过地球时,会被地球的引力捕获,经过地球大气层时,这些水变成水蒸气,再通过降雨的方式到达地球表面,经久形成海洋。由于地球有厚厚的大气层,又有强烈的磁场,彗星带来的水到地球后就会被牢牢锁定住。

彗星

然而,科学家们从四个彗星——哈雷彗星、百武彗星、鲍普彗星和丘留莫夫-格拉西缅科彗星中获得的氢同位素比值是地球海洋中的两倍,因此地球上的水似乎不可能只来自彗星。但这些彗星是否能作为柯伊伯带彗星的代表尚不清楚。如果水确实由彗星带来地球,则其来到地球上的时间并不是地球的形成期,而是地球演化到形成地壳和地幔之后的时期。

海王星轨道外柯伊伯带中已知的天体

对阿波罗计划带回的月球岩石的分析表明,月球上的水(红外月球地图上蓝色所代表的)与地球上的水有着共同的起源。

月球红外图解

地球、碳质球粒陨石(一些最原始的陨石)和小行星灶神星约45亿年前形成的钙长辉长无球粒陨石具有相同的挥发分同位素指纹谱图,这说明地球上大多数的水可能在早期从球粒陨石类似的地外天体中获得。地球上发现的两块45亿年前的陨石(Zag和Monahans)也含有液态水和多种多样的低氘有机化合物,也支持这一结论。这些研究都说明,地球在形成时,就已经有了水。

Zag 和 Monahans陨石

我们之所以称自己的母星——地球为蓝色星球,并不是因为蓝天,而是海洋。水孕育了生命和智慧,水从哪里来,这一亘古的谜题让无数科学家穷尽思索。滴水可将石穿透,相较于浩瀚的宇宙,人类或许渺小如尘,却仍一代代努力着探索这些奥秘。

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