新研究称地球上的水已有45亿年历史

地球上水的来源一直是一个永恒的谜团。有不同的假设和理论来解释水是如何来到这里的，并且有很多证据支持它们。

但是水在原行星盘中无处不在，而且水的来源可能也没有那么神秘。

《元素》杂志的一篇研究文章表明，其他年轻的太阳系也有丰富的水。在像我们这样的太阳系中，随着年轻恒星的成长和行星的形成，水也随之而来。证据是地球的重水含量，它表明我们星球上的水已有45亿年的历史。

这篇文章是《我们喝了45亿年前的好水》，作者是CeciliaCeccarelli和FujunDu。Ceccarelli是法国格勒诺布尔行星科学和天体物理研究所的意大利天文学家。杜是中国南京紫金山天文台的天文学家。

太阳系的形成始于一个巨大的分子云。云主要是氢，水的主要成分。其次是氦、氧和碳，按丰度顺序排列。云还包含微小的硅酸盐尘埃和碳质尘埃颗粒。这篇研究文章带我们回顾了太阳系中水的历史，这就是它的起点。

在分子云的寒冷地带，当氧气遇到尘埃颗粒时，它会冻结并粘附在表面。但是水在氢和氧结合之前不是水，云中较轻的氢分子在冻结的尘埃颗粒上跳来跳去，直到遇到氧气。当这种情况发生时，它们会发生反应并形成水冰——两种类型的水：普通水和含氘的重水。

氘是氢的一种同位素，称为重氢(HDO)。它的原子核中有一个质子和一个中子。这将它与称为氕的“常规”氢分开。氕有质子但没有中子。这两种氢同位素都很稳定并一直存在到今天，并且都可以与氧气结合形成水。

当水冰在尘埃颗粒上形成地幔时，作者将其称为冷相，这是他们在文章中概述的过程的第一步。

当物质在中心聚集时，重力开始在云中发挥作用。更多的质量落入分子云的中心并开始形成一颗原恒星。一些重力转化为热量，在云中心的几个天文单位(AU)内，圆盘中的气体和尘埃达到100开尔文。

100K在地球上非常寒冷，只有–173摄氏度。但从化学角度来说，它足以引发升华，冰会转变为水蒸气。升华发生在一个热的科里诺区域，一个围绕着云中心的温暖的包层。尽管它们也含有复杂的有机分子，但水成为科里诺斯中最丰富的分子。

此时水很丰富，尽管都是水蒸气。“......一个典型的热科里诺包含地球海洋中大约10,000倍的水，”作者写道。

这是作者概述的过程中的第二步，他们称之为原恒星阶段。

接下来，恒星开始旋转，周围的气体和尘埃形成一个扁平的旋转圆盘，称为原行星盘。最终将成为太阳系行星和其他特征的一切都在那个圆盘内。

年轻的原恒星仍在聚集质量，它在主序带上的聚变寿命还很长。这颗年轻的恒星从其表面的冲击中产生了一些热量，但并不多。所以圆盘是冷的，离年轻原恒星最远的区域是最冷的。这组作者说，接下来发生的事情至关重要。

在第一步中形成的水​​冰在第二步中释放到气体中，但在原行星盘最冷的区域再次凝结。同样数量的尘埃颗粒再次被冰冷的地幔覆盖。但是现在，那个冰冷的地幔中的水分子包含了太阳系中水的历史。“因此，尘埃颗粒是水遗传的守护者，”作者写道。

这是过程中的第三步。

在第四步中，太阳系开始形成并类似于一个更完整的系统。我们习以为常的所有事物，如行星、小行星和彗星，都开始形成并进入轨道。它们的来源是什么?那些微小的尘埃颗粒和它们两次冻结的水分子。

这就是我们今天所处的情况。虽然天文学家无法回到过去，但他们越来越擅长观察其他年轻的太阳系并寻找整个过程的线索。地球的水也包含一个重要的暗示：重水与普通水的比例。

到目前为止给出的简单解释中遗漏了一些细节。当第一步形成水冰时，温度极低。这引发了一种叫做超氘化的不寻常现象。与其他温度相比，超氘化将更多的氘引入水冰中。

氘仅在大爆炸后的几秒钟内形成。它形成的并不多：每100,000个氕原子只有一个氘。这意味着如果将氘与太阳系的水均匀混合，重水的丰度将表示为10-5。但是还有更多的复杂性。

热科里诺斯比其他地区拥有更多的重水。这张图片显示了一对热柯里诺斯围绕着一个名为IRAS4A的年轻双星系统。图片来源：BillSaxton，NRAO/AUI/NSF

在炎热的corino中，丰度会发生变化。“然而，在热corinos中，HDO/H2O比率仅略低于1/100，”作者解释道。(HDO是含有两个氘同位素的水分子，H2O是含有两个氕同位素的普通水。)

还有更多的极端。“更极端的是，”作者解释说，“双氘化水D2O是H2O的1/1000，即比根据D/H元素丰度比估计的值大大约107倍。“

由于超氘化，这些比率包含如此大量的氘。在尘埃颗粒表面结冰的那一刻，与落在颗粒表面的H原子相比，D原子的数量增加了。深入的化学解释超出了本文的范围，但结论是明确的。“没有其他方法可以在热科里诺斯或一般情况下获得如此大量的重水，”作者写道。“因此，丰富的重水是STEP1时代冷分子云团中水合成的标志。”

到目前为止重要的是水合成有两集。第一种情况发生在太阳系尚未形成并且只是一片寒冷的云层时。第二个是行星形成的时间。两者发生在不同的条件下，这些条件会在水面上留下同位素印记。第一次合成的水已有45亿年历史，问题就变成了“有多少古老的水到达了地球?”

为了找出答案，作者观察了他们唯一能观察到的两件事：水的总量和氘化水的量。正如作者所说，“……即重水与普通水的比率，HDO/H2O。”

创造的水足以容纳地球上的水。请记住，热科里诺中的水量是地球水的10,000倍，其HDO/H2O比率与初始云中形成的水​​不同。有多少科里诺水到达了地球?通过比较陆地水中的HDO/H2O值与热corinos的值，可以找到一个提示。

热柯里诺斯是我们在任何仍在形成的类太阳行星系统中观察到HDO的唯一地方。在之前的研究中，科学家们将这些比率与我们太阳系中物体(彗星、陨石和土星的冰卫星土卫二)的比率进行了比较。所以他们知道地球的重水丰度，即HDO/H2O比，大约是宇宙和太阳系初期的十倍。“地球上‘重于正常’的水比宇宙中的元素D/H比大大约10倍，因此在太阳系诞生时，在所谓的太阳星云中，”作者解释说。

所有这些工作的结果表明，地球上1%到50%的水来自太阳系诞生的初始阶段。这是一个广泛的范围，但它仍然是一个重要的知识。

作者总结了他们的结论。“彗星和小行星(绝大多数陨石起源于此)中的水也从一开始就被大量继承。地球很可能主要从微行星继承了它的原始水，这些微行星被认为是小行星和行星的前身形成了地球，而不是雨点在地球上的彗星。”

彗星输送是地球水的另一个假设。在那个假设中，当彗星受到干扰并从冰冻的奥尔特云被送入太阳系内部时，来自霜线以外的冰冻水会到达地球。这个想法是有道理的。

但是，它仍然留下未解决的问题。它没有解释所有的水是如何到达地球的。但研究表明，地球上重水的数量至少是弄清楚这一点的开始。

“总而言之，地球上的重水量就是我们的阿里阿德涅线，它可以帮助我们走出太阳系可能走过的所有可能路线的迷宫，”他们解释道。

正如文章标题所说，地球上的水已有45亿年历史。至少有一部分是。这组作者说，可能是星子将它送到了地球，但具体是如何发生的还不清楚。科学家们需要解决更多的复杂性才能弄清楚。“这个问题非常复杂，因为地球水的起源和演化不可避免地与这个星球上的其他重要参与者有关，例如碳、分子氧和磁场，”作者写道。

这些事情都包含在生命如何起源和世界如何形成的过程中。水可能在形成将其输送到地球的微行星中发挥了作用。水可能在将其他化学物质(包括生命的组成部分)隔离到岩石体上发挥了作用，这些化学物质将它们输送到地球。

水位于这一切的中心，通过证明其中的一些可以追溯到太阳系的最开始，作者为弄清楚其余部分提供了一个起点。

“在这里，我们根据最新的观察和理论，展示了地球水的早期简化历史，”他们写道。“很大一部分陆地水很可能是在太阳系诞生之初形成的，当时它是一团寒冷的气体和尘埃云，在导致行星、小行星和彗星形成的各个步骤中被冻结和保存，并且是最终传送到新生的地球。”

“最后一段是如何发生的是另一个引人入胜的章节，”他们总结道。