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地球表面71%的面積被水覆蓋但你知道水從哪兒來嗎?

  關於地球水的來源有許多各不相同的認識,各有各的道理,但真相究竟如何,還有待於科學家們收集更多的客觀證據,以揭開這個謎。

  眾所周知,地球表面71%的面積被水覆蓋。然而,地球上的水從哪兒來,卻始終是未解之謎。近日,關於地球上水的起源問題又有新發現。

  《自然》雜誌載文稱,德國明斯特大學的科學家通過對來自加拿大不列顛哥倫比亞省塔吉胥湖隕石和地球地幔岩石樣品的同位素分析顯示,水在地球上出現的時間比此前預期的要晚很多。這在很大程度上反駁了此前很多科學家所持有的“水是地球形成階段時期由隕石表面的冰層轉變而來”的說法。

  行星科學家、科普作家、中國科學院國家天文台研究員鄭永春博士接受科技日報記者採訪時表示,水是生命之源,地球上水的起源一直以來都是非常重要的科學問題。在地球演化過程中,水起到了化學反應劑和潤滑劑的作用,直接促進了地球的演化和生命的起源。地球上水的起源和形成時間,決定了地球演化的方向和生命起源的時間。

  那麼,地球上的水,到底從哪兒來?目前比較有代表性的是“外源說”和“內源說”。不過,“兩種說法都缺乏充足的證據。”鄭永春說。

  地球上的水是彗星小行星“撞”出來的?

  所謂“外源說”,顧名思義,認為地球上的水來自地球外部。而外來水源的候選者之一便是彗星和富含水的小行星。

  鄭永春介紹,被譽為“臟雪球”的彗星,其成分是水和星際塵埃,彗星撞擊地球會帶來大量的水。而有些富含水的小行星降落到地球上成為隕石,也含有一定量的水,一般為0.5%—5%,有的可達10%以上,其中碳質球粒隕石含水更多。球粒隕石是太陽系中最常見的一種隕石,大約佔所有隕石總數的86%。正因如此,一些科學家認為,正是彗星和小行星等地外天體撞擊地球時,將其中冰封的水資源帶入地球環境中。

  然而,科學家研究發現,大多數慧星水的化學成分與地球水並不匹配。此外,上述德國明斯特大學科學家認為,既然隕石是在地球形成階段就已經降落到地球的,那麼應該在地球的地幔中留下相應的化學痕跡。如果水確實是在這一階段由隕石帶到地球上的,那麼地幔中的同位素水平和隕石中的同位素水平應該相同,而當他們將不列顛哥倫比亞塔吉胥湖的隕石中釕同位素及地球地幔中釕同位素進行對比分析後卻發現,兩者的同位素水平並沒有任何相似之處。

  據此,德國明斯特大學科學家表示,這證明,如果水確實是由彗星或小行星帶到地球上的,則其來到地球上的時間並不是地球的形成期,而是地球演化到形成地殼和地幔之後的時期。但並不排除另一種情況,即水最開始其實是星際塵埃的組成部分,而地球則正是由星際塵埃所組成的。

  此外,鄭永春表示,且不論這個撞擊的時間節點,單說地球表面要想形成現今的水儲量得需要多少隕石?如果光有隕石而缺乏把其中的水釋放出來的地球物理化學作用,隕石中的水又怎樣變成液態水?這些問題還有待進一步發掘。

  地球上的水是太陽風“吹”出來的?

  外來水源的另一個候選者是太陽風。太陽風是指從太陽日冕向行星際空間輻射的連續的等離子體粒子流,是典型的電離原子,由大約90%的質子(氫核)、7%的α粒子(氦核)和極少量其他元素的原子核組成。有科學家認為,地球上的水是太陽風的傑作。首先提出這一觀點的科學家是托維利,他認為,太陽風到達地球大氣圈上層,帶來大量的氫核、碳核、氧核等原子核,這些原子核與地球大氣圈中的電子結合成氫原子、碳原子、氧原子等。再通過不同的化學反應變成水分子,據估計,在地球大氣的高層,每年幾乎產生1.5噸這種“宇宙水”。然後,這種水以雨、雪的形式降落到地球上。

  更重要的是,地球水中的氫與氚含量之比為6700:1,這與太陽表面的氫氚比也是十分接近的。因此托維利認為,這可以充分說明地球水來自太陽風。但太陽風形成的水是如此之少,在地球45億年生命史中,也不過形成了67.5億噸水,與現今地球表面的水貯量(包括液態水、固態冰雪和氣態水汽)1.3860×1010億噸相比,不過九牛一毛。

  地球上的水是“娘胎”裡帶的?

  與外源說相對的是自源說,自源說認為地球上的水來自於地球本身。鄭永春說,地球是由原始的太陽星雲氣體和塵埃經過分餾、坍縮、凝聚而形成的。凝聚後的這些星子繼續聚集形成行星的胚胎,然後進一步增大生長而形成原始地球。

  地球起源時,形成地球的物質裡面就含有水。在地球形成時溫度很高,水或在高壓下存在於地殼、地幔中,或以氣態存在於地球大氣中。後來隨著溫度的降低,地球大氣中的水冷凝落到了地面。岩漿中的水也隨著火山爆發和地質活動不斷釋放到大氣、降落到地表。匯集到地表低窪處的水就形成了河流、湖泊、海洋。

  地球內部蘊含的水量是巨大的。地下深處的岩漿中含有豐富的水。有人根據地球深處岩漿的數量推測,在地球存在的45億年內,深部岩漿釋放的水量可達現代全球大洋水的一半。

  還有一種說法認為在地球開始形成的最初階段,其內部曾包含有非常豐富的氫元素,它們後來與地幔中的氧發生了反應並最終形成了水。

  為何只有地球上有液態水?

  地球科學家傾向於認為,地球上的水來源於地球自身演化過程中的岩漿水等,天文學家更傾向於是彗星等撞擊地球帶來的水。目前兩種觀點誰都沒有說服誰。鄭永春表示:“可能兩方面的來源都有,目前的主要問題在於誰是主要來源,還很難下結論,需要更多的證據。”

  “很多人似乎覺得太空中的水很稀少,實際上水在太陽系中非常豐富。”鄭永春說,例如我們的臨近行星——火星,已經在其表面發現了很多乾涸的河床、湖泊、三角洲、沖積扇等,這說明火星表面曾經有大量的水。現在科學家也相信,火星地下和兩極可能藏有很多水。此外,一些小行星、海王星軌道之外的柯伊伯帶的天體上也有大量的水存在。而在柯伊伯帶以外的奧爾特雲更是分佈著大量的彗星,這些彗星大部分就由水組成。

  既然太陽系中並不缺水,為何只有地球有液態水?鄭永春表示,液態水能否存在的關鍵在於星球表面的溫度。在地球上,由於溫度通常在0到100攝氏度之間,因此水才可能以液態形式存在。有的星球如金星表面溫度達到400多攝氏度,遠遠超過了水的沸點,所以沒有液態水;有的星球如火星,表面溫度達到了零下四五十攝氏度,低於水的冰點,即使有水也都冰凍了,所以也不會有很多液態水。所以水出現在地球上並非偶然,而是必然現象。

  相關鏈接:地球水的“第四種形態”

  地球上的水絕大多數其實並不是以我們所熟知的冰、水、氣3種形式存在。水還有另外一種存在形式,這種形式異乎尋常——那就是封存在岩石中的水。

  可以說,這些岩石像一個巨大的水庫,它的含水量至少與地球上所有河流、海洋和冰川中的水量加起來一樣多,或許還是海洋水量的4倍、6倍或10倍。但它們一直被深埋在我們腳下410千米處。

  這種奇特的“第四種形態”的水,還可能隱匿在你家的廚房中。如果你家廚房的綠石灶台是用蛇紋石做成的,假設一塊蛇紋石的灶檯面板重約90千克,在這塊石頭中,就有約10千克會是水,即石頭中可能融入了10升水。但是,這種融合併不像把雞蛋攪在稀麵糊中那樣,而是水融進礦石的每個分子中,即裹在構成蛇紋石的鎂、矽和氧原子的點陣結構中。幾乎地下410千米深處的礦石大都以這樣的方式融進了水——在410千米厚的岩石疊加在一起所產生的重力,以及約1093.33攝氏度高溫加熱的共同作用下,一個氫原子會離開水分子,留下一個羥基,而這個氫原子會融入礦石分子。科學家把這種融入水的礦石稱為“水合礦物質”,即“水岩”。

  可以這樣形像地解釋:在適當的溫度和壓力下,某種礦石的確將水吸入其分子結構中,就像海綿吸水一樣。而水分子進入礦石就會分解,分解為一個氫原子和一個羥基。所以礦石中絕對有水。

  而且科學家至少從3方面得出了結論:水岩確實比沒有水合狀態時更柔韌,更易變形;科學家能用紅外線分光鏡測量出礦石分子結構中的水分子;最重要的是,當礦石承受的壓力和溫度以適當的方式被去除時,氫原子和羥基就會從礦石中脫離,以水的形式從礦石中流出。

  科學家認為,這種水岩遍布地下400—650千米的深處,厚達240千米,比地球表面的水層還要厚。即使這種礦石的含水量只有1%,其水量也很大,實際上已相當於地球海洋水量的幾倍。

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