地球上的水是哪儿来的？又是彗星惹的“祸”？
来源：解放日报 日期:2018-03-22
水是生命之源。本周四，我们将迎来“世界水日”。今年“世界水日”的主题是“Nature for water”(借自然之力，保护绿水青山)。
众所周知，地球表面71%的面积被水覆盖。然而，地球上的水从哪儿来，却始终是未解之谜。近两年，关于地球上水的起源又有新发现……
彗星撞、太阳风吹还是自带
地球上的水，到底从哪儿来?目前比较有代表性的是“外源说”和“自源说”。
所谓“外源说”，顾名思义，认为地球上的水来自地球外部。而外来水源的候选者之一便是彗星和富含水的小行星。
被誉为“脏雪球”的彗星，其成分是水和星际尘埃，彗星撞击地球会带来大量的水。而有些富含水的小行星降落到地球上成为陨石，也含有一定量的水，一般为0.5%—5%，有的可达10%以上。正因如此，一些科学家认为，正是彗星和小行星等地外天体撞击地球时，将其中冰封的水资源带入了地球环境中。
然而，研究发现，大多数彗星水的化学成分与地球水并不匹配。此外，地幔中的同位素水平和陨石中的同位素水平也没有任何相似之处。
科学家据此表示，这证明，如果水确实是由彗星或小行星带到地球上的，则其来到地球上的时间并不是地球的形成期，而是地球演化到形成地壳和地幔之后的时期。但并不排除另一种情况，即水最开始其实是星际尘埃的组成部分，而地球正是由星际尘埃所组成的。
外来水源的另一个候选者是太阳风。
太阳风是指从太阳日冕向行星际空间辐射的连续的等离子体粒子流，是典型的电离原子，由大约90%的质子(氢核)、7%的α粒子(氦核)和极少量其他元素的原子核组成。有科学家认为，地球上的水是太阳风的杰作。
首先提出这一观点的科学家是托维利，他认为，太阳风到达地球大气圈上层，带来大量的氢核、碳核、氧核等原子核，这些原子核与地球大气圈中的电子结合成氢原子、碳原子、氧原子等，再通过不同的化学反应变成水分子。据估计，在地球大气的高层，每年几乎产生1.5吨这种“宇宙水”。然后，这种水以雨、雪的形式降落到地球上。
更重要的是，地球水中的氢与氚含量之比为6700:1，这与太阳表面的氢氚比十分接近。因此托维利认为，这可以充分说明地球水来自太阳风。但太阳风在地球45亿年生命史中，也不过形成了67.5亿吨水，与现今地球表面的水贮量相比，不过九牛一毛。
与“外源说”相对的是“自源说”，“自源说”认为地球上的水来自于地球本身。地球是由原始的太阳星云气体和尘埃经过分馏、坍缩、凝聚而形成的。凝聚后的这些星子继续聚集形成行星的胚胎，然后进一步增大生长，形成原始地球。
地球起源时，形成地球的物质里面就含有水。在地球形成时温度很高，水或在高压下存在于地壳、地幔中，或以气态存在于地球大气中。后来随着温度的降低，地球大气中的水冷凝落到了地面。岩浆中的水也随着火山爆发和地质活动不断释放到大气、降落到地表。
还有一种说法认为，在地球形成的最初阶段，其内部曾包含有非常丰富的氢元素，它们后来与地幔中的氧发生了反应并最终形成了水。
你喝的水可能比太阳还古老
关于地球水的来源，地球科学家认为来源于地球自身演化过程中的岩浆水等，天文学家更倾向于是彗星等撞击地球带来的水。目前，两种观点谁也没能说服谁。近两年一些有趣的发现更是激起了科学家们的兴趣，比如，你日常喝的水也许比太阳还要古老……
来自美国密歇根大学天文系的一项研究成果显示，存在地球、陨石、月球表面的水，可能比大约46亿岁的太阳系还“老”。这意味着现存于太阳系中的水，有部分来自于太阳系形成前的星际介质。
参与研究的美国密歇根大学博士生克里夫斯表示：“太阳系诞生初期的环境条件并不适合水分子的合成。而在这种情况下，水就只可能来自于富含化学元素的外部星云。引人瞩目的是，这些水成功地在太阳系诞生的过程中幸存了下来。”
为了探明水的“年龄”，研究人员决定从氢的同位素“氘”身上入手。氘，旧称“重氢”，常用于热核反应，在能源领域具有良好的前景，它们通常微量存在于我们周围的水中，并且很难自然形成。
研究人员构建了专门的计算机模型，比对了彗星、行星、陨石及地球海洋水中氘的丰度。结果发现，这些样本的比率均高于正常情况下太阳系中氘的比率，也就意味着多出来的氘可能并不来源于太阳系。超出比率的氘可能来自氘丰度(相对含量)更高的寒冷星际空间，比太阳系更加“年长”。
但并不是说我们周围的水都是太阳系的“长辈”，真正早于太阳系形成的水在其中的比例目前并不明确，不过其数量可能很可观。
这一发现，不仅意味着我们每天可能在喝着来自遥远星际空间的水，还意味着宇宙中可能会有更多类似太阳系的系统，具备诞生生命的条件。这将有助于人类对行星系统的研究，人们或许将有更大机会找到另一个孕育生命的“地球”。
地球水的“第四种形态”
其实，绝大多数地球上的水并不是以我们所熟知的冰、水、气3种形式存在。水还有另外一种存在形式，这种形式异乎寻常——那就是封存在岩石中的水。
可以说，这些岩石像一个巨大的水库，它的含水量至少与地球上所有河流、海洋和冰川中的水量加起来一样多，或许还是海洋水量的4倍、6倍甚至10倍，但它们一直被深埋在我们脚下410千米处。
这种奇特的“第四种形态”的水，还可能隐匿在你家的厨房中。如果你家厨房的绿石灶台是用蛇纹石做成的，假设这块蛇纹石的灶台面板重约90千克，在这块石头中，就有约10千克水，即石头中可能融入了10升水。但是，这种融合并不像把鸡蛋搅在稀面糊中那样，而是水融进矿石的每个分子中，即裹在构成蛇纹石的镁、硅和氧原子的点阵结构中。几乎地下410千米深处的矿石大都以这样的方式融进了水——在410千米厚的岩石叠加在一起所产生的重力，以及约1093.33摄氏度高温加热的共同作用下，一个氢原子会离开水分子，留下一个羟基，而这个氢原子会融入矿石分子。科学家把这种融入水的矿石称为“水合矿物质”，即“水岩”。
可以这样形象地解释：在适当的温度和压力下，某种矿石的确将水吸入其分子结构中，就像海绵吸水一样。而水分子进入矿石就会分解，分解为一个氢原子和一个羟基。所以矿石中绝对有水。
而且科学家至少从三方面得出了结论：水岩确实比没有水合状态时更柔韧，更易变形;科学家能用红外线分光镜测量出矿石分子结构中的水分子;最重要的是，当矿石承受的压力和温度以适当的方式被去除时，氢原子和羟基就会从矿石中脱离，以水的形式从矿石中流出。
科学家认为，这种水岩遍布地下400-650千米的深处，厚达240千米，比地球表面的水层还要厚。即使这种矿石的含水量只有1%，其水量也很大，相当于地球海洋水量的几倍。
(本文综合自《科技日报》《中国气象报》等)…
