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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. New clues to ancient water on Itokawa.Science Advances  01 May 2019: Vol. 5, no. 5, eaav8106 DOI: 10.1126/sciadv.aav8106

【3】Volume 62: Water in Nominally Anhydrous Minerals Hans Keppler and Joseph R. Smyth, editors

【4】Andrew S. Rivkin et al. Evidence for OH or H2O on the surface of 433 Eros and 1036 Ganymed. Earth and Planetary Astrophysics (astro-ph.EP) DOI: 10.1016/j.icarus.2017.04.006
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