互动科普

地球的历史表明，现在它拥有的水都是“后天”获得的。但这些水究竟来自何方，是彗星还是小行星？抑或是其他完全不同的来源？科学界依然未有定论。

 太阳系中所有水的起源，都可以追溯到一团巨大的、由尘埃和气体构成的原初星云。正是这团星云在大约4.5亿年前坍缩，形成了太阳和各个行星。这团星云富含氢和氧——构成水（H2O）的两种元素。这没什么值得惊讶的，在宇宙中，氢和氧是含量名列第一和第三的两种元素（化学性质不活泼的氦是第二名）。星云中的多数气体都被太阳和气态巨行星瓜分了，后者是在岩质行星诞生前形成的。剩下的氧原子大多与碳和镁之类的原子结合到了一起，不过，最后余下的氢和氧也足以制造出比太阳系中的岩石多好几倍的水了。

但这与我们现在见到的情况不符，地球和它的邻居们——水星、金星和火星都是岩石组成，并不是水球。这类行星诞生的地点和过程导致它们相对来说比较缺水。当孕育出太阳系的星云坍缩时，自身的角动量让它收缩成了一个旋转的圆盘，行星们就是在这个圆盘中形成的。岩质行星的形成是一个逐步完成的渐进过程。在这个过程中，原行星盘里面较小的物体相互碰撞并粘在一起形成更大的物体：微小的尘埃变成石块，石块变成巨石，巨石再变成直径为千米量级的行星建筑构件——星子。行星形成后还剩下了许多星子，它们就成了我们今天看到的小行星和彗星。

在原行星盘靠近太阳的内部区域，气体摩擦产生的热量和更充足的阳光可能蒸干了氢和其他较轻的元素，只给行星留下了相对较为干燥的材料。当干燥的岩石天体在靠近太阳的地方迅速成长的时候，附近某处，也就是现在的小行星带和木星所在的位置，行星盘的温度低到可以让水和其他易挥发的物质结成冰。天文学家把这个临界点称作“雪线”（snow line）。传统理论认为，地球上的水绝大部分是由雪线之外的冰质小行星和彗星带来的。它们可能是在行星形成的最后阶段，被太阳系外部的巨行星抛进了内太阳系。

最近，天文学家观测到了其他正在孕育行星的恒星，这为我们提供了更多有关雪线和后期星子碰撞的证据。把目光投向星际空间深处，我们可以在望远镜中看到太阳系当年曾经历的过程正在遥远的地方进行着。但即使如此，有关海洋诞生的宏大故事仍充满谜团，而这也正是现在研究的热点。虽然地球的海洋看上去可能让人有种恒久不变，不可言喻的感觉，不过，新的证据正引领我们逼近下面这些问题的答案：海洋到底是怎样形成？是何时形成的？海洋中的水主要来自彗星还是小行星？抑或有什么完全不同的机制把水送到了我们这个曾经干旱的星球？

 被榨干的行星

从太空中看来，地球或许改名为“水球”更合适一些。地球表面的三分之二覆盖着水，人类的身体也有三分之二是由水组成的。地球上，海洋的平均深度约为4千米，把海水聚集在一起，可以形成一个直径1300千米的水球。然而，一个会令很多人感到惊讶的事实是，这些海水只占地球总质量的0.02%。换句话说，如果我们的行星是一架质量为30万千克的波音777客机，那么把海洋中所有的水加起来，质量也仅相当于一名乘客。而储藏在极地冰盖、云、河流、湖泊、土壤和生物体内的淡水只占地球总水量极少的一部分。

更多的水隐藏在我们脚下深处，埋在由岩石构成的地幔中。地幔的厚度有3 000多千米，从地壳下面一直延伸到地心液态铁核的边缘。地幔中的水不是以液态存在的，而是被束缚在“水合”（ hydrated）岩石和矿物的分子结构中。这些岩石和矿物是被构造运动拖到地壳下面的。一些锁在岩石中的水分能够通过火山活动逃离地幔，返回地表，但大部分水都难以再见天日。在地下更深处，隐藏着由铁和镍组成的沉重地核。地核的质量占地球总质量的30%，其中所含的水量甚至有可能比地幔还多。确切地说，这里的“水”不是真的以水的形式存在的，在地核极端高温、高压的环境下，水中的氢和氧处于分离状态。

没人知道我们的行星内部究竟隐藏着多少水。我们不但缺少直接的样本，也不知道水在地表和地下之间来回输送的效率有多高，所以难以确定地球深处的水量。一个合理的猜测是，地幔自己的含水量至少相当于海洋的总水量。即便如此，把这些水和海水加在一起，也仅占地球总质量的0.04%，只不过相当于满载的波音777上的两名乘客。听上去可能很奇怪，实际上，地球比骨头还要干燥100倍（骨头中只含有极少量的水，英语中用像骨头一样干来形容极为干燥）。我们拥有的水虽然不多，但这些水究竟是怎么来的，依然需要一个答案。

 彗星还是小行星

 一般认为，过去的地球甚至比现在还要干燥。所以研究者在调查水的来源时，通常把注意力放在地球形成过程中相对较晚的阶段，也就是在月球诞生之后。

与太阳系其他岩质行星一样，新生地球的表面肯定有一部分是处于熔融状态的，这样的状况在地球诞生后至少维持了数千万年。在这期间，大如山脉的星子成群结队地撞向地球，它们释放出的巨大能量熔化了地球的表面。虽然有地球化学证据表明，地球的岩浆中也含有一些水，但炽热的熔岩实在不擅长保水，所以原始地球和星子中的水分大多都以电离气体和水蒸气的形式逃逸出来了。这些物质中有一些流失到了太空中，但也有一些会落回地球，再次被锁入岩石，埋进地幔深处。

之后，几次规模更大的撞击进一步改变了地表和地表附近的含水量。尤其是大约45亿年前的一次，地球与一个大小相当于火星的天体发生了碰撞。飞溅出的物质冷却后，聚集到一起形成了月球。这次全球规模的撞击释放出的能量几乎把地球的大气一扫而空，而且蒸干了所有海洋里的水，制造出了一个深达数百千米的“岩浆海洋”。不管地球刚形成时是湿润还是干燥的，形成月球的这次碰撞所带来的毁灭性打击，肯定把行星原有的水清除干净了。

认识到这些以后，科学家一直在寻找可以在地月系统形成并冷却后为地球供水的水源。而在20世纪50年代，人们就知道彗星是富含冰的天体。那些进入内太阳系的彗星来自两个位于外太阳系的巨大“彗星库”，一个名为柯伊伯带（范围大约是从冥王星的轨道开始），另一个是奥尔特云（范围起始于柯伊伯带之外更远的地方，大约一直延伸到太阳和最近恒星中间的位置）。许多研究者曾认为，彗星可能就是地球海洋的最主要来源。

但这种观点在上世纪八九十年代遭遇了一些麻烦。当时，研究者首次成功测量了奥尔特云彗星的氘氢比（D/H）。氘是一种较重的氢同位素，它的原子核中还有一个中子。氘与普通氢元素含量的比值可以用作追踪天体历史的标记。如果地球的海洋是由融化的彗星组成的，那么海水的氘氢比应该与我们今天观测到的彗星类似。但天文学家发现，奥尔特云彗星的氘氢比是普通海水的2倍。显然，地球上水应该主要来自别的地方。

过去几年中，天文学家观测了柯伊伯带的一些彗星，结果发现它们的氘氢比与海洋相似，这使得地球的水来自彗星的理论一度重获新生。但现在，形势再次变得不利于彗星了。2014年底，欧洲空间局的 “罗塞塔”号探测器发现，源于柯伊伯带的67P/楚留莫夫－格拉希门克彗星的氘氢比是地球海洋的3倍。这又是一个支持地球上的水存在其他来源的证据。对那些来自彗星密集区域的陨落天体的轨道动力学分析也支持相同的结论。这些证据都表明，虽然偶尔发生的彗星撞击肯定给地球带来了一些水，但这种机制不大可能是地球上水的主要来源。

彗星之外的另一个选择显然就是小行星。现在，地球上的水大多来自小行星的观点已得到了学术界的普遍认同。与彗星一样，小行星也是个头较小的星子，是建造行星时剩余的材料。主带小行星（main-belt asteroid）的轨道在火星与木星之间，比柯伊伯带近得多。它们一旦离开原来的轨道，撞上地球的机会远大于彗星。我们身边的月球就是一个明证，遍布月面的环形山就是远古小行星撞击留下的痕迹。也有些来自小行星的碎石落到了地球表面，这些保存在博物馆里的陨石有力地提醒我们，地球仍在不断遭受行星际碎片的轰炸。通过研究这些稀有的小行星碎片，我们可以探索小行星更久远的过去，并判断它们是否有可能为地球送来海洋。而对某些种类陨石的研究已经表明，它们氘氢比是与海水一致的。

不同陨石的成分和含水量差异很大，它们的“母体”小行星也是如此。主小行星带的内侧边缘到太阳的距离是日地距离的2倍，我们在地球上研究的那些几乎不含水的石质陨石就是这里的小行星制造出来的。而另一方面，在主带上更靠外的区域，就是到太阳的距离超过了木星轨道半径一半的地方，存在含水量相对较高的小行星。这些小行星制造出的陨石一般是由水合矿物和碳酸盐组成的碳粒陨石（carbonaceous chondrite）。这种陨石里的水在总重量中所占的比例可达数个百分点。我们两人中，杨的研究重点就是这些岩石中的水的历史，这类研究会借鉴地球岩石中水的运动情况。碳粒陨石中富含水的矿物是岩石与液态或气态的水进行反应而生长出来的。这种反应需要的温度相对较低，大约为几百摄氏度。在地球上，这类矿物是水渗入多孔岩石时形成的。而在陨石里，它们的存在证明小行星中的冰曾在某个时期融化并在岩石间流动。

几乎可以肯定的是，导致这些冰融化的热源是铝的一种放射性同位素——铝26。在早期的太阳系中，这种元素曾大量存在。后来，铝26衰变为镁的同位素镁26，在数百万年中释放出了大量的能量。在年轻太阳系寒冷的外部区域——雪线之外，铝26衰变释放出的热是一种强大但又短暂的力量。富含挥发性物质的小行星的地质与水文特征就是在这种力量的塑造下形成的。在太阳形成后的几百万年中，许多小行星中的水都保持着液态，并维持着热液循环系统，就像在地球上，也有类似的系统存在于沿大洋中脊分布的火山热液喷口附近。当温暖的盐水通过裂口和缝隙渗入了小行星被放射性同位素加热后的内部时，水合矿物和碳酸盐就形成了。在行星形成的最后阶段，外部气态巨行星的引力把剩余的材料丢得到处都是，遍布整个年轻的太阳系，也把富含水的小行星从雪线之外抛向了地球和其他岩质行星。

在地球和火星上，我们都能找到行星形成后期，物质重新分布的化学证据。例如，铂系元素“喜欢铁”，或者说具有亲铁性，这意味着它们对铁和其他金属有化学亲和性，对岩石则没有。在处于熔融状态的新生地球上，这些元素理应随着密度较高的铁和镍一起沉入地心深处，形成行星的核心。然而，现在的地幔甚至地壳中仍存在含量高得惊人的亲铁元素。地球冷却至地核完全形成后，落下的球粒陨石应该能为地球送来新的亲铁元素。如果这些陨石带来的物质贡献了地球总质量的1%的话，地幔和地壳的亲铁元素含量就可以得到完美的解释了。陨落的小天体为地球进行的“后期装饰”可以解释，我们用来制作结婚戒指和汽车催化转化器的铂是从哪来的。这同样也能解释足以填满地球海洋的水是怎样来的。不仅是地球和火星，很可能所有岩质行星都在行星形成的最后阶段，遭到了来自小行星带的物质的轰炸。

但是，地球大部分水是由小行星送来的漂亮理论似乎还存在一个关键瑕疵。当研究者把目光投向氙和氩等气态元素时，这个问题变得明显了。这类元素被称为稀有气体，它们的化学性质很不活泼，几乎不与任何其他化合物发生反应。这种惰性使得稀有气体可被用作许多物理过程的示踪物，相对来说不易受到混乱的化学效应的影响。如果岩质行星和小行星之间联系紧密的话，那么它们各种稀有气体的比例也应该是相似的。但是，研究者测量了落到地球上的陨石和火星岩石的氙氩含量比，结果发现与陨石相比，地球和火星上的稀有气体少得可怜。

近些年来，科学家提出了许多解答氙缺失问题的答案。其中一些认为，其实还是彗星给地球送来了水和其他挥发性物质。就在我们写这篇文章的时候，研究者正在急切地等待“罗塞塔”号的数据，这个探测器在拜访67P/楚留莫夫－格拉希门克彗星时，首次测量了彗星的稀有气体含量。这些测量数据或许能帮助我们得出地球海洋源于何处的最终答案，但如果过去的教训值得借鉴的话，“罗塞塔”号的数据也可能带来更困难的问题，让激烈的争论再持续几十年。

 难有定论

小行星和彗星谁才是地球海洋之源？这个问题看来没有一个简单的答案。这可能并不是因为大自然神秘莫测，而是因为我们的提问方式有问题。彗星和小行星的区别可能并没有我们过去想的那么简单。朱伊特和中国台湾“中央研究院”天文及天体物理研究所的谢宏利最近发现了一种特殊的彗星——主带彗星，这种天体的轨道在小行星带内，却会像普通的彗星一样周期性地喷射尘埃。轨道在雪线以内的主带彗星饱受日晒，理应耗尽了挥发性物质，但令人意外的是，它们竟然还保留着冰。此外，如我们前面所说的，真正的问题不是地球的水为什么这样多，而是为什么这样少。地球拥有的水相对较少，能送来这些水的途径很多，这些都与行星的历史、撞击行星的天体和这些天体形成的初始条件紧密相关。而我们对这些问题的认识充满了不确定性，这给那些更为奇异的送水方式留下了充足的空间，虽然这些方式不大可能真的存在，但也无法被明确地排除掉。

例如，理论上讲，地球上的大部分水也可以从行星诞生就一直存在。有新研究显示，来自太阳风的氢离子可以在行星际尘埃表面的非晶态浅坑内不断积累，形成水合矿物。这些尘埃可以在行星和星子形成初期为它们带来含水的物质。但是，地球在形成末期曾遭遇荡平了星球表面的大规模撞击，很难想象早期的水能够一直隐藏在地幔深处，直到撞击之后才渗出地表。

近来，比彗星和小行星更大的天体引起了人们的注意。想想被称为矮行星的谷神星吧，它直径900千米，是太阳系中最大的小行星。一般认为，水占了谷神星总质量的一多半。2014年初，研究者目击了以20 000千米/时的速度冲出这颗矮行星表面的水蒸气喷流，这为谷神星富含水提供了关键的证据。地球的质量大约是谷神星的6 000倍。如果像许多人猜测的那样，谷神星有一半是水，那么地球上全部的水——地下和地表的都加在一起，就相当于5个谷神星式的天体所含的水量。

在混乱的早期太阳系中，这类天体远比现在常见，因此不难想象，有几颗谷神星式的天体闯进了内太阳系并撞上了地球。只要有四五个这样的天体，就足够为我们的行星带来海洋了，无需再受大量小行星和彗星的“洗礼”。美国航空航天局的“黎明”号探测器在2015年3月与谷神星相会，这让我们可以近距离观察谷神星的冰和喷出的气体。而且毫无疑问，这颗探测器也会给我们带来各种惊喜，让我们可以更多地了解地球上水的得失。