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星际间的分子云

水是生命之源,地球表面71%的面积被水覆盖。水让我们的地球与众不同,在宇宙中很难再也找到一个跟地球差不多的地方,然而,地球上的水从哪儿来,却始终是未解之谜。

蓝色星球

关于水的来源,有两个主要说法:自源说和外源说。

自源说认为地球的水与生俱来。地球形成的时候,能够形成水的物质就已经存在了。比如说氢元素和氧元素,会发生化学反应形成水。

水还可能存在于大气中,随着温度降低,水蒸气凝结降落到地表。

地壳深处的岩浆层在高温高压环境下能够溶解大量的水,早期地球表面就是巨大的岩浆海洋,有分析认为岩浆释放的水量能够达到目前海洋中全部水量的一半。

地球矿物中也含有大量的结晶水,在合适的条件下,岩石中的水也能够被释放出来。

地幔岩石中含有一定比例的水,根据计算,地幔上下层过渡带中的水是目前全部地表水的3倍。随着板块移动,火山爆发等地质活动,有相当多的水被带到地表。

外源说认为水来自彗星、陨石和太阳风等。

在地球形成初期,遭遇过大量彗星、陨石的轰炸。许多彗星实际上就是脏雪球,主要就是水和星际尘埃,彗星撞击地球会带来大量的水。陨石通常含有0.5%~5%的水,有些甚至高达10%。

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C/2019 Y4彗星在接近太阳的过程中意外解体

含水的彗星,通常是在所谓的“雪线”以外形成的,在这里温度足够低,水凝结成冰并与其他固体颗粒组成了彗星。

雪线(snowline,也叫frost line)示意图

太阳系的雪线被认为大约在2.7~5天文单位之间(1天文单位即地球到太阳的距离),也就是火星与木星间的小行星带,而地球显然是在雪线以内的。

但是外源说无法解释的一个问题是,如果如此多的水被运输到地球,那么理应有大量陨石被运送到其他固体行星上。

一些同位素的分析表明,彗星冰对地球海洋的贡献小于1%。

综合各种信息,科学家一般认为,组成现有的地表水以自源水为主要的来源。

近日,关于地球上水的起源问题又有新发现。

科学家证明,雪线以内的星际间有机物就能够产生大量的水和油,而无需通过彗星跨越几个天文单位传送过来。这些星际间有机物在地球吸积形成阶段及以后逐步进入地球。

星际间有机物加上尘埃实际上就是形成彗星、小行星的原始物质,其总量要比彗星、小行星多得多。这些星际间有机物在原始地球环境下有可能产生水。

研究人员使用化学试剂在模拟生成了星际分子中有机物,他们利用紫外线照射含有水、一氧化碳、氨的混合物,这是星际有机分子的天然合成过程。然后,在高压条件下将有机物从24℃逐渐加热到400℃。样品直到100℃都是均匀的,但在200℃分成两相。在约350℃时,水滴的形成变得明显,并且随着温度的升高,水滴的尺寸增加。在400℃下,除了产生水滴以外,还产生了黑色的油。对油的化学分析显示出与石油相似的特性。

随着温度的升高,星际间有机物产生水滴和油。在102℃,模拟的有机物是均匀的。在350℃,水滴清晰可见。在400℃时,明显产生了黑色的油。图片:Hideyuki Nakano et al., Scientific Reports

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在400℃下加热后,星际有机物类似物清楚地分为油(黑色)和水(透明黄色)两层(a:加热前,b:在400℃加热后)。图片:Hideyuki Nakano et al., Scientific Reports

有机物模拟物通过加热产生水和油。在约350℃时明显形成了圆形水滴。图片:Hideyuki Nakano et al., Scientific Reports

实验说明高温加热星际有机质可产生大量的水和油。这表明雪线内侧产生水的可能性要比从雪线外侧通过彗星或陨石转移更大。此外,非生物油的形成表明,地球上的石油来源比以前想象的要广泛。