地球上水的来源

研究地球水的起源的工作涵盖行星科学、天文学和天体生物学等领域。地球因其表面存有大量液态的水，在太阳系类地行星中是颗独一无二的海洋行星。这是因为地球处于适居带，与太阳的距离够远，水分不会因过度蒸发成气态的水蒸气而逃逸到外太空；但又不距离太阳过远，让气温过低而导致地表水都结成固态的冰。此外，地球自身的行星质量也足够大，使得重力足以束缚（除氢气和氦气以外的）大部分气体形成大气层，并因为大气内的自然对流出现了水循环。液态水是所有已知生命形态（特别是细胞生物）生化反应所需的溶剂，其长期存在于地球表面是生命得以生存、繁衍和演化的基础。

人们长期以来一直认为地球的水并非源自其位于原行星盘的区域，反而假设水和其他挥发成分是在地球形成历史的后期从外太阳系的天体（如彗星）通过撞击输送到地球。然而最近的研究显示地球内部的氢在海洋形成中曾发挥过作用。这两种想法并不相互排斥，因为也有证据显示水是通过与主小行星带外缘的小行星（其成分与冰冷星子相似）的撞击，而后输送到地球。

## 地球上水的历史

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估计水在地球上出现的时间，需考虑到的一个因素是它会不断通过大气逃逸流失到外太空。大气中通过紫外线的光分解作用分解水所产生的游离氢气会逃离地球引力的束缚。当地球年轻又同时质量尚小时（如混沌代的早期地球），因为地表温度较高且重力尚低，水更容易气化成高温水蒸气并流入太空。预计当时的氢和氦等较轻的挥发成分会不断由大气向外泄漏，但从现代大气中观察到较重的惰性气体的同位素丰度，显示在地球早期即使是大气中的较重元素也曾发生过重大丧失，特别是透过计算氙的含量来研究水随着时间演进而发生的损失，是种很有效的方法。氙不仅是种惰性气体（因此不会经与其他元素发生化学反应而从大气中去除），对现代大气中九种稳定同位素的丰度进行比较，显示地球曾在其早期历史中失去过至少一个海洋的水，发生的时间是在冥古宙（始于46亿年前，结束于38亿年前）和太古宙（始于40亿年前，结束于25亿年前）之间。

地球上的水在其吸积过程的后期会受到忒伊亚大碰撞（与月球形成相关，约发生于45亿年前）的破坏，可能把大部分地壳和上地函的水分蒸发，并以岩石悬浮粒子和蒸气组成的大气层笼罩住这颗年轻的行星。岩石-蒸气组合于两千年内凝结，留下热挥发成分，可能导致大气中大部分剩余的成分为甲烷和二氧化碳，夹杂有氢气和水蒸气。此后虽然地球的地表温度达到230C，但高温高气压也导致沸点升高，因此可能在一些低温区域已存在液态的地表水。随着地表持续冷却，大部分大气中的水蒸气凝结降下形成早期海洋，二氧化碳经海水的冲刷和溶解而被去除，但随着新的地表和地函循环出现，大气中二氧化碳浓度仍然剧烈波动。

透过地质证据也有助于把液态水在地球上存在的时间范围予以界限。从格林兰西南方伊苏阿绿岩带所发现的枕形玄武岩（一种水下火山喷发过程中形成的岩石）样本，提供38亿年前地球上即有大型水体存在的证据。一项对加拿大魁北克省的努夫亚吉图克绿岩带所做的研究，当地的岩石年龄经测定后为38亿年，另一项研究测定出的岩石年龄为42.8亿年，显示出在这些年代中地球即有水存在的证据。至于是否海洋早于这个时间即已存在，则尚无地质证据予以支持（可能是因为此类证据已被地壳循环等过程所破坏）。最近（2020年8月）研究人员发表的报告说，自地球形成（参见地球#地球形成）之初可能就已有足够填充海洋的水存在。

像锆石之类的矿物与岩石不同，其对风化和地质过程具有很强的抵抗力，因此可用来了解早期地球的状况。根据锆石的矿物学证据显示，液态水和某种大气必定在44.04 ± 0.08亿年前（即地球形成后不久）就已存在。这类说法认为大约在44亿至40亿年前的冥古宙，地球温度高，但因为当时的大气压力够高（27个标准大气压），气液平衡足以让至少一部分水维持液态。其他在澳大利亚冥古宙岩石的研究中发现的锆石，显示早在40亿年前就存在板块构造论的证据。如果情况属实，即表示早期地球的表面与今天的相差不远，而非当时地表充满炽热熔岩和大气中充满二氧化碳的情况。地球板块构造作用可捕获大量的二氧化碳，而减少温室效应，导致地表温度降低，让固体岩石和液态水得以形成。

## 地球上水的数量

虽然地球表面大部分被海洋覆盖，但海洋中的水只占地球质量的一小部分。海洋的质量估计为1.37 × 1021公斤，仅占地球总质量6.0 × 1024公斤的0.023%。据估计，冰、湖泊、河流、地下水和大气水蒸气中还另外包含有5.0 × 1020公斤的水。地壳、地函和地核中也存有大量的水。地球内部的水与表面发现的分子形式H2O不同，它主要存在于水合物中，或者以与无水矿物中的氧原子键合的微量氢的形式存在。地表的水合硅酸盐将水输送到地球板块隐没带（洋壳俯冲到大陆地壳之下），而进入地函。虽然因样本有限，而让估计地函的总水含量有困难度，但估计那儿可储存大约三倍于地球海洋质量的水。同样的，地核所含有氢的数量可能相当于四到五个海洋的。

## 地球水起源假说

### 源自外行星

水的凝结温度比构成太阳系类地行星的其他物质（例如铁和硅酸盐）低得多。在太阳系历史早期，最接近太阳的原行星盘区域温度很高，在地球形成时，海洋的水与地球一起凝结的可能性极低。远离年轻太阳温度较低的地方，水可凝结并形成冰冷星子。在早期太阳系中可能形成冰区域的边界被称为冻结线（也称为雪线），位于现代主小行星带中（距太阳约2.7至3.1天文单位 (AU) 之间）。因此地球上的水是由在冻结线之外形成的天体（例如彗星、海王星外天体和富含水的流星体（原行星））输送而来。但输送的时点仍然存有疑问。

有个假设声称地球在大约45亿年前开始吸积（通过积累而逐渐增长）冰冷星子，当时地球的尺寸是目前的60%到90%之间。地球可在此情况下透过吸积和重大撞击事件以某种形式将水保留。此假设有已知最古老的碳质球粒陨石和灶神星陨石（两者都起源于太阳系的主小行星带）之间水的丰度和同位素比相似性的支持。对锇同位素比的研究也支持此一观点，该比值显示地球早期吸积的物质中包含有大量的水。阿波罗15号和阿波罗17号登月任务所收集的月球样本，对其中化学成分测量的结果进一步支持此点，并显示地球在月球形成之前就已经有水存在。

但此假设的问题是地球大气层的惰性气体同位素比率与地函中的稀有气体同位素比率不同，表明两者的来源不同。为解释这种观察结果，人们提出一种所谓的“后崁入”理论，认为在地球的历史中，水是在与月球相关的大碰撞发生之后才被输送到地球。但目前对地球形成的了解显示地球物质中只有不到1%是在月球形成后才吸积而来，表示这样的吸积物质中肯定富含水。电脑模型显示早期的太阳系动力学，如果木星迁移到离太阳更近的地方，冰冷小行星可能会在此期间被传送到内太阳系（包括地球）中。

但有以钼同位素比证据支持的第三种假设，显示的是地球上大部分的水都是由大碰撞说（月球形成）的同一事件中而获得。

在2019年取得的证据显示地函中的钼同位素成分源自外太阳系，很可能是因此将水带到地球。可能的解释是大碰撞说中提起的忒伊亚行星在45亿年前与地球相撞，而有月球形成，而忒伊亚可能源自外太阳系（而非内太阳系），并将水和碳基物质材料带来。

## 太阳系中水的地球化学分析

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同位素比具有独特的“化学指纹”，可将地球的水与太阳系中其他天体的水进行比较。其中一种同位素比 - 氘与氢的比（D/H比）- 对于寻找地球上水的起源特别有用。氢是宇宙中最丰富的元素，其较重的同位素氘有时可取代H2O等分子中的氢原子。大多数氘是在大爆炸或超新星中产生，因此它在整个太阳系的形成和演化中会不均匀分布，在太阳系形成的早期就被“锁住”。经研究地球和太阳系其他冰冻天体的同位素比率，有机会找出地球水的来源。

### 地球

地球海水的氘与氢之比已知为非常精确的 (1.5576 ± 0.0005) × 10−4。这个数值代表的是地球上储水所在全部来源的混合后结果，可用于识别地球水的一个或是多个来源。在地球的生命周期中，氘与氢的比可能会增加，因为较轻的同位素在大气逃逸（进入太空）的过程中甚有可能会丧失。但目前科学界对于随时间演进而降低地球D/H比的过程尚不知。今日金星具有如此高D/H比的一种解释是由于其中较轻同位素丧失的缘故，金星的水在失控温室效应期间被蒸发，随后其上大部分的氢也散逸进入太空。.最初输送到地球水中的D/H比较现在的为低，地球上水的D/H比随着时间演进而显著增加。这与地球早期演化过程中即已存有很大部分水的情景呈现一致的情况。

### 小行星

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由多项地球化学研究所得的结论是小行星很可能是地球上水的主要来源。碳质球粒陨石是太阳系中最古老陨石中的一个子类，其同位素水平与地球海水最相似。碳质球粒陨石的CI群和CM群亚类的氢和氮同位素水平与地球海水非常匹配，表示这些陨石中的水可能是地球海洋的来源。在地球上发现的两块45亿年前的陨石含有液态水以及多种贫氘有机化合物，进一步支持这一论点。地球目前的氘与氢的比例也与古代的钙长辉长无粒陨石相匹配，这些陨石起源于外小行星带的小行星灶神星。CI群、CM群和钙长辉长无粒陨石被认为具有与来自外主小行星带的古代冰原行星相同的水含量和同位素比率，这些原行星后来将水输送到地球。

进一步对小行星粒子的研究为以下理论提供支持 - 即地球水的大部分来自太阳风中粒子携带的氢原子，这些氢原子与小行星上的氧气结合，然后以太空尘埃的形式到达地球。研究利用原子探针断层扫描技术，在日本太空隼鸟号探测器从小行星25143取回的颗粒中发现单个颗粒表面上有氢氧化物和水分子存在。

### 彗星

彗星是由尘埃和冰组成的一公里大小的天体，起源于古柏带（20-50个天文单位之外）和欧特云（>5,000 个天文单位之外），依循高度椭圆型的轨道而进入内太阳系。科学家对它们进入内太阳系的轨道，及其所具有的冰成分作为远程和原位测试D/H比的目标。

假设地球上的水仅源自彗星的可能性并不大，由哈雷彗星、百武二号彗星、海尔-博普彗星、2002T7彗星和塔特尔彗星上水的D/H比大约是海水的两倍。根据这种彗星D/H比，电脑模型预测地球上的水不到10%是由彗星所输送而来。

其他周期较短的彗星（<20年）被称为木星家族彗星，可能起源于古柏带，但其轨道路径受到与木星或海王星引力相互作用的影响。欧洲太空总署发射的太空探测器罗塞塔号对其中一颗楚留莫夫-格拉希门克彗星进行同位素测量，发现其D/H比是地球海水的三倍。另一颗木星家族哈特雷二号彗星的D/H比与地球海水一致，但其氮同位素水平与地球的不匹配。

## 附注

- Jörn Müller, Harald Lesch (2003): Woher kommt das Wasser der Erde? - Urgaswolke oder Meteoriten. Chemie in unserer Zeit 37(4), pg. 242 – 246, ISSN 0009-2851
- Parts of this article were translated from the Herkunft des irdischen Wassersfrom the German Wikipedia, on 4/3/06

## 外部链接

- Dr. C's Ocean World: "How the Oceans Formed" (archived copy)
- Nature journal: "Earth has water older than the Sun"