新線索:地球上的水從何而來?

水

文:哼寶  

在地球科學和行星科學中,地球上水的起源一直是個懸而未決的問題。在太陽系中,地球所處的位置可被算作為內太陽系(包含水星、金星地球、火星四顆岩石行星在內的範圍)。根據一些有關行星形成的模型來看,很多人相信,像地球這樣的岩石行星在形成之初應該是完全乾燥的,因為「年輕 」 時的太陽溫度很高,這使得地球宛若誕生於一片「行星間沙漠 」 之中,不太可能有太多的冰或液態水附著在形成了行星的岩石上。

很多研究人員猜測,在地球形成的末期,來自太陽系較冷、較遠區域的外太陽系的含冰小行星,向地球輸送了海水。不過,海洋並不是地球上最大的蓄水池,據估計,地球內部的含水量是地表水量的好幾倍。

地球上的水除了可能來自遙遠的彗星或其他小行星之外,是否還有可能源自於那些原本構成了地球的星際塵埃和岩石呢?

為了檢驗這種可能性,一項新的研究分析了內太陽系中的一種名為頑輝石球粒(EC)的隕石。通過分析結果,研究人員意外地發現,地球上的水的確有可能是由地球的原始構建塊所提供的。換句話說,這意味著地球或許從一開始就是濕潤的,地球上大量的水都可能來自於在地球形成之時就已存在於內太陽系的物質。

一塊長約10厘米的頑輝石球粒隕石

頑輝石球粒隕石是一種相對罕見的隕石,在已發現的隕石只佔大約2%的比例。頑輝石球粒隕石完全由來自內太陽系的物質構成,它們在化學成分上與地球岩石有許多相似之處,因此是在內太陽系中最初形成了地球等行星的原材料的很好近似物。

在新的研究中,研究人員測量了頑輝石球粒隕石中所含的氫的豐度,這是判斷隕石能產生多少水的一個重要指標。過去的研究認為,頑輝石球粒隕石是非常乾燥的;而新的測量結果卻表明,這些隕石雖然不直接含有水,卻儲存了足夠多可以產生水的原材料。這意味著,那些形成了地球的星際岩石碎片,有可能為地球提供至少3倍於地球海洋中的水量。

這一結果為水的起源之謎提供了一個新的思路,它說明這些隕石可以為地球提供足夠多的水,表明地球上的水可能來自於當地球在形成之時,內太陽系中就已經有了的富含氫的物質。

在測量中,研究人員在這些隕石中發現了一種與在地幔中發現的非常相似的水。在地球上,有一少部分水並非是我們熟知的H₂O,而是由的同位素——(即重氫,D)構成的D₂O(重水)。經過測量,研究人員發現在頑輝石球粒隕石中,氘與氫之比與在地球深層水中測得的值相近。

此外,研究人員還發現頑輝石球粒隕石與地球有相近的氮、氧、鈦和鈣同位素比。在對地外物質的研究中,一種元素的同位素豐度常被視作為確定這種元素起源的一個參考。研究人員認為,頑輝石球粒隕石與地球的這種同位素相似性,有力地證明了地球的原始構建塊可能是地球上大部分的水源的觀點。不僅如此,新研究還提出,地球大氣中最豐富的成分——氮,也可能來自於頑輝石球粒隕石。

值得一提的是,雖然新的研究表明地球上的水可能主要源自於「就地取材 」 ,但也並非完全絕對。研究發現,海水中的氘與氫之比略高於地幔水中的氘與氫之比,而與外太陽系中含冰小行星裡的氘與氫之比更相近。這表明雖然地球上的大部分水可能是一開始源自於形成了地球的構建塊,但在稍晚些的時候,來自遙遠太空的一些岩石向海洋中註入了額外的水。

從實驗操作上看,這項測量具有很大的難度。因為一旦隕石與地面相撞,就會迅速從地球環境中吸收氫。因此,研究人員需要從本就稀少的頑輝石球粒隕石樣本中,嚴格地篩選出完好的「原始 」 隕石來進行測量,以此確保他們所測得的氫都是來自於隕石本身,而非地球上的污染。

研究運用了一項特殊的分析方法,以避免對樣品的分析結果受到地球水的干擾。他們通過結合常規質譜法和二次離子質譜法這兩種技術,精確地測量了隕石中水的含量與組成。

雖然新的結果為地球上的水的起源提供了一種新的解釋,但它並不能能完全排除水的其他來源的可能性。研究人員表示,接下來,他們將要進一步確認這些氫都儲存在頑輝石球粒隕石中的什麼地方,以及是如何儲存在這些隕石之中的。屆時,我們或將獲悉更多關於地球上水的起源的秘密。

參考鏈接:

https://source.wustl.edu/2020/08/meteorite-study-suggests-earth-may-have-always-been-wet/

https://www.sciencenews.org/article/earth-planet-building-blocks-more-water-once-thought

https://cen.acs.org/physical-chemistry/astrochemistry/New-analysis-challenges-existing-ideas/98/i33?utm_source=LatestNews&utm_medium=LatestNews&utm_campaign=CENRSS

https://science.sciencemag.org/content/369/6507/1110

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