地球上的水來源之謎

一般研究認為過去的地球甚至比現在還要乾燥，所以研究者在調查水的來源時，通常把注意力放在地球形成過程中相對較晚的階段，也就是月球誕生之後。大約45億年前，地球與一個相當於火星大小的天體發生了碰撞，飛濺出的物質在冷卻後聚集到一起形成了月球。這次全球規模的撞擊釋放出的能量幾乎把地球的大氣一掃而空，並且蒸幹了所有海洋里的水，製造出了一個深達數百千米的「岩漿海洋」。可以說，這次碰撞所帶來的毀滅性打擊將行星原有的水都清除乾淨了。

認識到這些以後，科學家一直在尋找可以在地月系統形成並冷卻後為地球供水的水源。在20世紀50年代，人們就知道彗星是富含冰的天體，那些進入內太陽系的彗星來自兩個位於外太陽系的巨大「彗星庫」，一個名為柯伊伯帶（範圍大約是從冥王星的軌道開始），另一個是奧爾特雲（範圍起始於柯伊伯帶之外更遠的地方，大約一直延伸到太陽和最近恆星中間的位置）。許多研究者曾認為，彗星可能就是地球海洋的最主要來源。

在上世紀八九十年代，研究者首次成功測量了奧爾特雲彗星的氘氫比（D/H）。氘與普通氫元素含量的比值可以用作追蹤天體歷史的標記，如果地球的海洋是由融化的彗星組成的，那麼海水的氘氫比應該與我們今天觀測到的彗星類似。但天文學家發現，奧爾特雲彗星的氘氫比是普通海水的2倍。顯然，地球上的水應該主要來自別的地方。

過去幾年中，天文學家觀測了柯伊伯帶的一些彗星，結果發現它們的氘氫比與海洋相似，這使得地球的水來自彗星的理論一度重獲新生。但2014年底，歐洲空間局的 「羅塞塔」號探測器發現源於柯伊伯帶的67P/楚留莫夫-格拉希門克彗星的氘氫比是地球海洋的3倍。這一證據表明，雖然偶爾發生的彗星撞擊肯定給地球帶來了一些水，但這種機制不大可能是地球上水的主要來源。

彗星之外的另一個選擇是小行星。現在，地球上的水大多來自小行星的觀點已得到了學術界的普遍認同。主帶小行星（main-belt asteroid）的軌道在火星與木星之間，它們一旦離開原來的軌道，撞上地球的機會遠大於彗星，遍布月面的環形山就是遠古小行星撞擊留下的痕迹，也有些來自小行星的碎石落到了地球表面。通過研究這些稀有的小行星碎片，我們可以探索小行星更久遠的過去，並判斷它們是否有可能為地球送來海洋。

不同小行星的成分和含水量差異很大。在主小行星帶的內側邊緣會產生幾乎不含水的石質隕石，而在主帶上更靠外的區域存在含水量相對較高的小行星。這些小行星製造出的隕石一般是由水合礦物和碳酸鹽組成的碳粒隕石，這種隕石里的水在總重量中所佔的比例可達數個百分點。碳粒隕石中富含水的礦物是岩石與液態或氣態的水進行反應而生長出來的。這種反應需要的溫度相對較低，大約為幾百攝氏度。在地球上，這類礦物是水滲入多孔岩石時形成的。而在隕石里，它們的存在證明小行星中的冰曾在某個時期融化並在岩石間流動。

幾乎可以肯定的是，導致這些冰融化的熱源是鋁的一种放射性同位素——鋁26。這種元素在早期的太陽系中曾大量存在，後來衰變為鎂的同位素鎂26，在數百萬年中釋放出了大量的能量。在年輕太陽系寒冷的外部區域——雪線之外，鋁26衰變釋放出的熱是一種強大但又短暫的力量，富含揮發性物質的小行星的地質與水文特徵就是在這種力量的塑造下形成的。在行星形成的最後階段，外部氣態巨行星的引力將剩餘的材料擲向遍布整個太陽系，也把富含水的小行星從雪線之外拋向了地球和其他岩質行星。

但這一理論似乎還存在一個關鍵瑕疵。氙、氬等稀有氣體因化學性質很不活潑、幾乎不與任何其他化合物發生反應而被用作許多物理過程的示蹤物，相對來說不易受到混亂的化學效應的影響。如果岩質行星和小行星之間聯繫緊密，稀有氣體的比例也應該是相似的。但是，研究者測量了落到地球上的隕石和火星岩石的氙氬含量比，結果發現地球和火星上的稀有氣體與隕石相比要少得可憐。