地球海洋的最終起源，美國科學家有新解

地球的海洋來自哪裡？由美國亞利桑那州立大學地球與太空探索學院（SESE）和分子科學學院Peter Buseck教授領導的科學團隊找到了新答案。

SESE天體物理學教授，團隊科學家之一Steven Desch說：“彗星含有大量的冰，理論上可以提供一些水，小行星也是一種來源。但是，在太陽系的形成時代還有另一種思考水源的方法，因為水是氫氣加氧氣的産物，地球氧氣充足，所以任何氫氣來源都可以作為地球水源。”

氫氣是太陽星雲中的主要成分。如果星雲中豐富的氫能夠與地球上形成的岩石物質結合，那麼這可能是地球全球海洋的最終起源。

吳軍（Jun Wu）是該團隊在地球物理研究期刊上發表的論文的第一作者，他是SESE和分子科學學院的助理研究教授。他說：“太陽星雲理論在現有理論中受到的關注最少，盡管它是我們早期太陽系中氫的主要儲集層。”

為了區分水源，科學家轉向同位素化學，測量兩種氫的比例。幾乎所有氫原子都具有單個質子的核。但在大約7,000個氫原子中，核心當中除了質子外還有一個中子。這種同位素被稱為“重氫”或氘。

重氫原子數與普通H原子的比率稱為D / H比，用它作為氫來自何處的判斷指标。比如，小行星水的D / H約為百萬分之140（ppm），而彗星水的含量較高，範圍從150ppm到多達300ppm。

地球表面有一個全球性的海洋，另外還有兩個海洋溶解在地幔岩石中。這些海洋具有約150ppm的D / H比，剛好和小行星的水來源源很好地匹配。

由于彗星的D / H比率較高，因此彗星基本不是地球海洋的主要水來源。太陽星雲中氫氣的D / H僅為21 ppm，似乎不太可能是我們星球海洋的來源。

但是，吳和他的同事說，從地球剛開始形成時開始，其他因素和過程已經改變了地球氫的D / H。這意味着我們不應該忽視溶解的太陽星雲氣體。

其關鍵在于物理學和地球化學相結合的過程，該團隊發現這一過程将氫氣集中在岩心中，同時提高了地幔中氘的相對含量。

通過稱為行星胚胎的原始構建塊的合并而形成和發展，這個過程很早就開始了。從月球到火星大小的物體在早期的太陽系中生長得非常快，碰撞并從太陽星雲中吸收物質。

在胚胎内，放射性元素熔化了鐵，抓住了小行星氫并沉積形成核心。最大的胚胎經曆了碰撞能量，融化了整個表面，形成科學家所稱的“岩漿海洋”。岩漿中的鐵水從原始大氣中奪走了氫氣，這種原始大氣來自太陽星雲。鐵将這種氫以及來自其他來源的氫一起帶到胚胎的外套中。最終氫氣集中在胚胎的核心。

同時，另一個重要的過程是在鐵水和氫氣之間進行。氘原子（D）不像它們的H對應物那樣喜歡鐵，因此導緻鐵水中H的輕微富集并且在岩漿中留下相對更多的氘原子，通過這種方式，岩心逐漸形成了比岩漿海洋冷卻後形成的矽酸鹽地幔更低的D / H比。

這是第一階段。

第二階段，随着胚胎相互碰撞而合并成為原始地球。岩漿海洋再一次在地表上形成，再次，剩餘的鐵和氫可能經曆了與第一階段類似的過程，從而完成了将兩種元素輸送到原始地球的核心。

吳進一步解釋說：“除了胚胎捕獲的氫氣，我們還期望它們從早期太陽星雲中捕獲一些碳，氮和稀有氣體。這些應該在最深的岩石的化學成分中留下一些同位素痕迹。”

該團隊對該過程進行了建模，并檢查了其對地幔岩石樣本的預測，這種樣本今天在地球表面很少見。

Desch說：“我們計算了氫氣在地球核心中的含量是多少，然後将這與最近對地球深部地幔樣本中D / H比率的測量值進行了比較。最終結果，我們認為，地球早期可能形成了足以形成七到八個全球海洋的氫氣。其中大部分确實來自小行星，另外則來自太陽能星雲氣體。”

吳軍說：“加上在幾個地方緩存的數量，地球将大部分氫氣藏在核心裡面，大約兩個全球海洋的氫氣在地幔中，四到五個在核心，當然還有一個在表面，也就是我們的海洋當中。”

該團隊表示，這一新發現完全适合當前關于太陽和行星如何形成的理論。它還對太陽系以外的可居住行星有影響。天文學家發現了超過3800顆行星圍繞着其他恒星運行，許多恒星看起來具有和地球一樣的巨大岩石。

這些系外行星中的許多可能遠離可能出現富含水的小行星，然而，它們仍然可以像地球一樣從自己恒星的太陽星雲中收集氫氣。

該團隊得出結論：“我們的研究結果表明，在太陽系外足夠大的岩石行星上形成水可能是不可避免的。”

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