天天看點

地球上的水從哪裡來?科學家從美國登月帶回的月岩中,找到了答案

地球上“水的起源”一直以來都是一個懸而未決的問題。不過,美國勞倫斯利佛摩國家實驗室(LLNL)的科學團隊在《美國科學院院報》(PNAS)上發表了他們的新發現,對美國阿波羅号帶回的月球岩石進行了研究,幫助科學家們鎖定了“地球水的起源”的答案,那究竟是咋回事呢?

地球上的水從哪裡來?科學家從美國登月帶回的月岩中,找到了答案

如果從太空上看,地球就像是一個水球一樣的藍星,海洋面積約為3.6億平方公裡,占據了地球表面積的71%,遠遠超過了陸地面積,平均的水深約為3795米,海洋含水量達到了13.3億立方千米。那這些水到底是從哪裡來呢?

地球上的水從哪裡來?科學家從美國登月帶回的月岩中,找到了答案

關于“水的起源”一直以來都有2種主流的觀點,分别是:自源說和外源說。前者是指地球上的水是“天生”的,地球形成後就自帶了,後者是指地球上的水是外太空的天體送過來的。那這都有哪些依據呢?

自源說

根據研究發現,在46億年前,在現在太陽系附近有一片長達2光年的分子雲,由于某種原因,這裡的引力平衡被打破。于是,在引力的作用下,分子雲中的物質聚集在了一起,形成了太陽,剩餘的邊角碎料形成了太陽系的其他天體,原始地球也就是在那個時候形成。

地球上的水從哪裡來?科學家從美國登月帶回的月岩中,找到了答案

有一些科學家認為,地球在形成的過程中,水就已經存在,隻是當時的溫度非常高,導緻水并非是液态的,而是被蒸發,成為了大氣中的一部分,但由于地球引力的存在,導緻這些水分并沒有脫離地球的掌控。

地球上的水從哪裡來?科學家從美國登月帶回的月岩中,找到了答案

除此之外,他們認為,還有一部分水以氫離、羟基等形式與構成地球的星雲物質發生了水化作用,進而被鎖在了礦物質的晶格當中。

後來,随着地球逐漸冷卻,大氣中的水蒸氣都凝結成了液态水落到了地面,形成了一場持續了幾百萬年甚至上千萬年的大降雨,最終這場大雨彙聚出了原始海洋。

地球上的水從哪裡來?科學家從美國登月帶回的月岩中,找到了答案

那這個說法有沒有證據呢?

科學家發現了一種岩石叫做尖晶橄榄石,也叫作林伍德石。

地球上的水從哪裡來?科學家從美國登月帶回的月岩中,找到了答案

這種岩石是地幔層過渡帶的主要造岩礦物。通過科學家們的研究發現,在距離地面200公裡處的尖晶橄榄石中,大約每100萬個晶體分子中就有2000個水分子。

地球上的水從哪裡來?科學家從美國登月帶回的月岩中,找到了答案

不僅如此,科學家還發現,在距離地面410~660公裡的地層,這裡的尖晶橄榄石含水量更高,達到了每100個晶體分子中就有1.5個水分子。可能有人會提出質疑:憑什麼認為這些水是在地球形成之初就是地球自帶的?

地球上的水從哪裡來?科學家從美國登月帶回的月岩中,找到了答案

起初,科學家們也不确定。不過,後來在澳洲發現了距今44億年前的锆石碎片。這塊石頭内部就是含水的,而它又是來自于地表的。锆石碎片的發現,證明了地球在誕生不久後,地表就已經有水了。

地球上的水從哪裡來?科學家從美國登月帶回的月岩中,找到了答案

外源說

除了自源說,另外一部分科學家認為,地球的來自于于彗星和隕石。那這個結論是咋來的呢?

地球上的水從哪裡來?科學家從美國登月帶回的月岩中,找到了答案

我們都知道,水的分子式是:H O,它是由2個氫原子和1個氧原子構成的。其中,氫原子當中隻有1個質子,我們也稱其為:氕。不過,事實上,水分子并不完全是這樣,氫原子有其他的同位素,比如,原子核中有1個質子和1個中子叫做:氘(用符号D表示,D O),或者1個質子和2個中子叫做:氚(用符号T表示,T O)。

地球上的水從哪裡來?科學家從美國登月帶回的月岩中,找到了答案

科學家們發現,如果地球上的水都來自于同一個出處,那麼到氘和氕的比值(為了友善,我們把這個概念稱為:D/H比例)就應該是不變的,如果水的來源不同,D/H比例就會發生改變。科學家發現,地球上的水的D/H比例大約維持在100萬個氕原子裡有156個氘原子。

他們比對了太陽系中的各類天體和早期的星雲物質中的D/H比例,結果就發現,地球上水的D/H比例和一種碳質球粒隕石的D/H比例是相近的,這類隕石不僅富含水分,而且占據太陽系總隕石數的86%。

地球上的水從哪裡來?科學家從美國登月帶回的月岩中,找到了答案

于是,支援外源說的科學家們認為,地球上的水很有可能是這種碳質球粒隕石以及其他的一些D/H比例相同的小行星和彗星送來的。還有另外一派觀點認為,各種各樣的地球天體都送來過,最終把D/H比例恰好調節成了現在的模樣。

月球的啟示

在此之前,兩派觀點僵持不下,誰也沒有能夠說服誰。于是,科學家們紛紛把目光看向了月球。很多人可能會納悶,地球上的水關月球什麼事?

事實上是這樣的,根據現在的主流理論,在地球形成後的3000萬年,有一顆叫做忒亞的行星一直在地球軌道附近運動,結果一不小心就撞上了地球,這個行星的物質由于撞擊都融入到了地球當中,撞擊還造成了大量物質抛灑到了太空當中,這些物質繞着地球運動。後來,在引力的作用下,彙聚成了月球。

也就是說,地球和月球是原始地球和忒亞撞擊共同形成的産物,雙方是“你中有我,我中有你”。是以,研究“地球上水的起源”,某種程度上也是在研究“月球上水的起源”。

科學家根據研究月球岩石的同位素構成(铷-87/锶-87)就發現,地球上的水要麼是與生俱來的,要麼就是存在一種包含大量純水的天體來所帶來的。

地球上的水從哪裡來?科學家從美國登月帶回的月岩中,找到了答案

宇宙化學家Greg Brennecka說,這項研究就直接排除掉了隕石或者小行星帶給地球水的可能性,把水的起源指向了地球“與生俱來”的選項。主要是因為,無論是隕石,還是小行星,隻是含有水,但并不是包含大量的純水。

地球上的水從哪裡來?科學家從美國登月帶回的月岩中,找到了答案

也就是說,科學家基于月岩的研究,直接把之前争論不下的“水的起源”的問題一錘定音,外源說在這項研究發表後已經被排除在外,那麼就隻有自源說可以成立。

繼續閱讀