地球上的水，并非外来的？

蔻享学术 2023-08-02

The following article is from 原理 Author 不二北斗

在已知的银河系中，地球毫无疑问是独一无二的，它拥有恰到好处的条件来支持大气、液态水，还有生命的存在。在地球的诸多谜团中，有两个特别令行星科学家困惑：一个是水的来源，另一个是地核（由金属铁构成）的密度要低于应有的。

关于地球上水的来源，一种流行的观点是，在地球形成过程中，小行星和彗星等天体与地球相撞，为地球播下了水的“种子”。但现在，一篇发表于《自然》杂志上的新研究表明，地球水可能是“自制”的，而非外来输送的，而且创造地球水的过程可能很容易在其他星球上复制。

此外，这项研究通过分析年轻地球与其大气层之间的相互作用，也为地核的密度之谜提出了一种新的解释。

行星形成

要了解地球的组成，首先需要知道行星是如何形成的。几十年来，研究人员对行星形成的了解主要基于我们的太阳系。虽然关于木星和土星等气态巨行星的形成存在一些争论，但人们普遍认为，如地球一样的岩质行星，是从环绕在年轻恒星周围的尘埃和气体盘吸积形成的。

虽然地球的大气层现在只有薄薄的一层，但根据天文观测，像地球这样的岩质行星在早期是充满了气体的。这些观测表明，在年轻恒星周围的行星形成盘中，大约含有99%的氢气和氦气，而尘埃中含有的其他元素，如硅、碳、氧，占剩下的1%。

目前的标准模型认为，在吸积盘中，气体推动着大的尘埃颗粒，聚集成山一般大小的被称为星子的固体。随着越来越大的天体相互碰撞，小星子变得越来越大，越来越热，融化成一个巨大的岩浆洋。随着时间的推移，行星冷却，密度最大的物质开始向内下沉。以地球为例，它被分为三层：金属的地核，岩质的硅酸盐地幔，还有地壳。

氢气与氧气的反应

在过去的十年里，系外行星研究的爆发为模拟地球的行星胎状态提供了一种新的方法。

岩质的“超级地球”是在银河系中发现的数量最多的系外行星。它们让科学家清楚地意识到，在行星刚形成的最初几百万年中，被富含氢分子的大气包围是件非常常见的事。最终，这些氢气会消散，并在年轻行星的成分上留下印记。

利用这些信息，研究人员为地球的形成和演化创建了一个新的模型，来探索分子氢大气和岩浆洋之间的物质交换。他们研究了25种不同的化合物和18种不同类型的反应，这些化合物和反应被认为足够复杂，足以产生关于地球的可能形成史的有价值的数据，但同时它们又足够简单，足以被完全解读。

他们的分析结果表明，在地球的“婴儿”时期，一颗质量是现代地球的0.2~0.3的行星胎被由氢气构成的原始大气覆盖，氢气与含有大量氧气的岩浆洋相互作用，反应生成水。研究人员表示，即使形成地球的岩石物质是完全干燥的，这些氢分子大气与岩浆洋之间的相互作用也足以产生大量的水。

不同时期的地球的一些标志性特征。岩浆洋与早期氢分子大气层之间的相互作用，可能导致了地球上大部分水的产生。（图/Edward Young/UCLA and Katherine Cain/Carnegie Institution for Science.）

寻找更多的系外行星

这只是对地球演化的一种可能解释，研究人员表示，当然也有可能还存在其他水源，但那些不是解释地球当前状态的必要条件。

新的模型的强大之处在于，它除了为地球上的水的起源之谜提供了一个合理解释之外，还同时解释了为什么地球的铁核密度小于纯铁。因为岩浆洋会与氢分子大气的相互作用，可能导致大量氢向地球的金属核移动。此外，这个模型还描绘了氧化铁是如何融入到地球的硅酸盐地幔的，从而y也为地幔的氧化提供了解释。

与此同时，这项工作还表明，如果地球上的大部分水都是在地球上形成的，且银河系中的许多大型类地行星也是在类似的条件下形成的，那么有理由认为，可能有很多类地行星上都有足够的水存在。接下来，研究团队计划寻求更深入的研究，他们将更详细地探索系外行星大气的化学成分，并希望能从点缀我们银河系的无数系外行星中，了解到更多关于地球和整个星系的信息。

#创作团队：

撰文：不二北斗

排版：YY

#参考来源：

https://carnegiescience.edu/how-did-earth-get-its-water

https://newsroom.ucla.edu/releases/earth-like-planets-may-be-an-inevitability

https://www.nature.com/articles/d41586-023-00979-1

#图片来源：

封面图：Willgard / Pixabay

首图：BlenderTimer / Pixabay

本文经授权转载自微信公众号「原理」（ID：principia1687）

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