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地球上的水来自哪里?新研究或揭开这个未解之谜?

来源:本站原创 2019-08-02 13:16

2019年8月2日讯 /生物谷BIOON /——水是地球上生命所必需的,也是我们最宝贵的自然资源之一。但是考虑到我们的星球是如何形成的,我们仍然有这么多的水是相当令人惊讶的。地球是由一团气体和尘埃--一个原行星盘--聚集而成的,在最初的几百万年里异常炽热。它的表面被彗星和小行星的撞击保持熔融状态。由于重力加热和放射性同位素的衰变,地球内部曾经(现在仍然)是液态的。

这意味着,如果地球上有任何初始水(和有机化合物),它应该很快就会蒸发掉。那么,为什么今天地球上有这么多水呢?这些水到底是从哪里来的呢?发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的一项令人惊讶的新研究表明,一种我们认为不含太多水的小行星可能是"罪魁祸首"--同时也表明,太阳系可能比之前认为的要潮湿得多。

图片来源:https://cn.bing.com

长期以来,科学家们一直在争论地球上的水究竟从何而来。有一种理论认为,它可能是从与之相撞的小行星和彗星上捕获的。另一种观点认为,水一直存在于地幔的岩石中,并通过火山逐渐释放到地表。

多亏了日本的"隼鸟号"探测器,我们现在有了新的证据。这艘宇宙飞船在2010年带回了从小行星25143 Itokawa表面回收的珍贵样品。这项新研究的研究人员能够分析两种样品的含水量。他们使用了一种叫做离子微探针的精密仪器,用一束离子(带电原子)轰击样品以探测其表面的成分。

实验并不容易--这些颗粒很小,直径不到40微米(一米的百万分之一),而且每个颗粒都由几种不同的矿物质组成。离子微探针必须聚焦在每个颗粒中的一种特定矿物上,这样作者才能收集所需的数据。他们分析的矿物种类是一种含铁和镁的硅酸盐,称为辉石,几乎完全不含钙。

这类物质通常与水无关,事实上,它被认为是一种名义上的无水矿物(NAM)。辉石晶体的晶格不像粘土矿物那样含有水分子的空位,所以它的结构不一定有利于吸水。然而,作者使用的这项技术的灵敏度是如此之高,以至于他们可以检测到微量的水。

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结果令人惊讶:这些颗粒中含有高达百万分之一的水。了解了Itokawa的成分后,研究人员就可以估算出整个小行星的含水量,换算成百万分之160到510的水含量。这超出了人们的预期--对两个类似天体(也是s型小行星)的远程测量发现,其中一个含有30万分之一的水,另一个含有300万分之一的水。

不太可能的来源

水是由氢和氧组成的。但这些元素以不同的同位素形式出现--这意味着它们的原子核中中子的数量不同(中子是粒子,与质子一起组成原子核)。研究人员观察了水的氢同位素组成,发现它与地球的氢同位素组成非常接近,这表明地球上的水与Itokawa的氢同位素组成来源相同。

研究结果提出了几个有趣的问题,第一个问题是,在名义上无水的矿物中怎么会有这么多水?作者认为,在它们形成的过程中,这些颗粒从原行星盘吸收了氢,在太阳星云的高温高压下,原行星盘与矿物中的氧气结合产生了水。

到目前为止,一切都很合理。但是水怎么可能一直存在于矿物质中呢?毕竟它们来自于一颗s型小行星--一颗形成于太阳系内部温度较高的区域的小行星。Itokawa有着复杂的热变质和碰撞历史,温度至少达到了900℃。但是研究人员使用计算机模型来预测在这些过程中会损失多少水--结果发现,这还不到总损失的10%。

地球的水

但这一切与地球上的水有什么关系呢?研究人员推测,随着这些颗粒从原行星盘吸收水分,这些矿物质聚集并粘在一起,形成卵石,最终形成更大的天体,如小行星。

如果这一机制对小行星有效,那么它对地球也同样适用--也许它最初的水来自于这些聚集在一起帮助形成地球的矿物质。虽然在地球早期历史中,水被丢失了,但在无数的s型小行星的碰撞中,水又被补充了进来--这从地球和Itokawa之间氢同位素组成的相似性可以看出。

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对一个老问题--地球水的起源--的重新审视,得出了一个令人惊讶的结论,这个结论表明,太阳系内部的小行星群中,可能包含的水比我们之前意识到的要多得多。

因此,尽管太阳系中到处都有水,但水隐藏在矿物质中这一事实意味着水并不总是可以喝的。(生物谷Bioon.com)

参考资料:


【2】Ziliang Jin et al.Science Advances  01 May 2019: Vol. 5, no. 5, eaav8106 DOI: 10.1126/sciadv.aav8106

【3】Volume 62: Hans Keppler and Joseph R. Smyth, editors

【4】Andrew S. Rivkin et al. Earth and Planetary Astrophysics (astro-ph.EP) DOI: 10.1016/j.icarus.2017.04.006
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