地球的海洋从何而来？也许是自己产生的

# 地球的海洋从何而来？也许它自己制造了它们 | Quanta 杂志 来源：https://www.quantamagazine.org/where-did-earth-get-its-oceans-maybe-it-made-them-itself-20260612/ 起初，科学家认为地球的水来自彗星。后来，是来自小行星。现在，他们怀疑地球的水是否源自自身。 ## 引言 此刻，一艘航天器正从地球飞向木卫二（Europa）——木星一颗冰封的卫星，被认为拥有一个在某些方面与我们的海洋相似的海洋。NASA 在其上固定了一块刻有诗歌的金属板，该诗由艾达·利蒙（Ada Limón）在美国桂冠诗人任期内受委托创作。诗中写道： *而非黑暗将我们相连，* *亦非太空的寒冷距离，而是* *水的馈赠，每一滴雨，* *每一条溪流，每一次脉动，每一根血管。* 几十年来，NASA 对太阳系的探索一直以在木卫二这样的地方寻找水为主导，因为据我们所知，水对生命至关重要。 那么，科学家们其实并不真正知道水最初是如何抵达地球的，这或许令人惊讶。 多年来，最主流的理论是水通过彗星到达我们的星球——彗星是由冻结物质构成的绕太阳运行的天体，常装饰着闪亮的尾巴。这些诞生于太阳系黎明时期的冰冷遗存，极有可能在它们如雨般降落在原始地球时带来了水。但近年来，多艘航天器追上彗星对其进行考察。它们发现彗星的水与我们的不匹配；化学特征不同。 此后，“彗星便有些失宠了，”伦敦自然历史博物馆的陨石学家阿什利·金（Ashley King）说。小行星——比彗星更岩石化、金属更丰富——随后成为最受欢迎的选择。小行星撞击地球的频率远高于彗星，它们的水储量（虽不及彗星丰富）看起来与地球上的更为相似。 但小行星也有自己的问题，一种关于行星水的激进新观点正日益获得支持。通过仔细观测绕其他恒星运行的世界，以及一些涉及金刚石压砧和激光的爆炸性实验室实验，科学家们意识到像地球这样的岩石行星有办法自己制造水。你只需要一片岩浆海洋、大量的氢，以及一点地质炼金术。 ## **彗星与小行星的对决** 地球大约在45.4亿年前形成。经过地质的烈火与硫磺，其最早时期的大部分信息已湮没于历史中，但基本情况是公认的：它最初是一个主要由熔岩构成的球体。然后变成了蓝色弹珠。如何实现？ 彗星提供了一个动机充分的答案。它们常停留在距离地球遥远的区域——海王星之外一个充满冰冷物体的甜甜圈形通道，称为柯伊伯带，或更遥远、朦胧的奥尔特云。但当彗星足够接近太阳时，它的冰和冻结气体化为蒸汽，形成一条可延伸数亿公里（已知有一例超过十亿公里）的尾巴。与小行星相比，彗星“性价比很高，”牛津大学的陨石学家詹姆斯·布赖森（James Bryson）说。 科学家曾认为彗星可能撞击地球并提供了其水。但无人能证明彗星含有类地水——直到1980年代，欧洲空间局（ESA）决定核查。他们的首次深空任务“乔托”（Giotto）确实雄心勃勃：它将成为首个近距离观察彗星冰冷核心的航天器。 1986年，它追上了哈雷彗星，这颗彗星因大约每76年与地球轨道相交而闻名于地球天空。乔托成功发回了彗核的戏剧性图像以及对周围物质云的测量数据。引起科学界关注的是乔托对所谓D/H比的测量。 地球上几乎所有的水都由两个氢原子和一个氧原子构成：H₂O。但还有另一种形式的水，称为重水，由一个氧原子和两个较重形式的氢（氘）原子构成。 如果彗星负责我们的海洋，人们可能会期望乔托发现哈雷彗星上的水与地球上的水具有相似的氘氢比。但事实并非如此。“完全不匹配，”夏威夷大学行星天文学家凯伦·米奇（Karen Meech）说。实际上，哈雷彗星的D/H比是地球大部分水的两倍。 在1990年代和2000年代，其他彗星（如海尔-波普彗星）的光谱观测也发现了重水的证据，这给彗星理论带来了更多裂痕。但决定性一击出现在2014年，当时乔托的精神继承者——ESA的“罗塞塔”（Rosetta）任务创造了历史，它绕行并派遣着陆器到67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星（形状像一只巨大的橡皮鸭）的表面。在绕行67P期间，罗塞塔进行了迄今为止最精确的彗星成分测量——并发现它包含我们所测量的任何彗星中最高浓度的氘。 如果地球的水不是来自彗星，也许来自小行星。这些岩石天体主要停留在火星和木星之间，并且它们以陨石的形式不断撞击我们的星球，尽管大多数物质在大气层中燃烧殆尽或落入海洋。科学家已收集了数万块陨石，并发现某一特定群体中包含的水分子与地球上的非常相似。2021年一颗坠入英国宁静小镇温奇科姆的流星——在一位居民的车道上留下了一个大凹痕——被发现其D/H比几乎与地球海洋完美匹配。 不过，陨石在炽热坠落和撞击着陆过程中可能受到污染。这就是为什么科学家会将航天器飞向小行星并在轨道上收集材料进行法医分析。在某些案例中，他们发现仍在太空中穿行的小行星似乎也拥有类地水。2023年发表的一项研究显示，日本航天机构2018年探访的小行星“龙宫”（Ryugu）上的水，其D/H比与地球大部分水相似。谈到地球水的来源，“如今学界可能更倾向于小行星而非彗星，”金说。 但小行星的D/H比并未终结地球水来源的争议。小行星还含有少量氩、氪、氙等稀有气体——这些惰性元素可作为各种地质过程的示踪剂——科学家发现这些混合气体通常与地球上的不符。此外，基于彗星和小行星的理论都存在同一个根本问题：这两类天体中的任何一种能够为地球提供海洋，都依赖于运气。多颗小行星或彗星必须在其超高温岩浆海洋阶段之后撞击地球，才能产生我们今天所居住的汪洋世界。过去这被视为理所当然，但科学界对这种晚期轰击的存在性争论激烈。 还有另一种可能性，一种不依赖宇宙偶然性，而是依靠我们行星自身勤劳的可能性：地球自己制造了大部分水。 ## **氢，遇见岩浆** 当天文学家观察系外行星——太阳系之外的世界——时，他们看到大气层的多样性。但当他们模拟行星形成的方式时，科学家发现许多行星可能一开始就充满了氢。地球的形成岁月是否类似？ 科学家曾认为早期地球几乎没有氢。他们是在检查一类名为顽火辉石球粒陨石的陨石后得出这一结论的，这些陨石与地球的化学成分惊人地相似。由于这种相似性，科学家认为两者可能由相同物质形成，布赖森说。这些陨石似乎缺乏氢，所以科学家认为地球也是如此。 但一些研究（包括布赖森合著的一篇）发现，这些陨石中其实一直存在氢。它只是隐藏在它们的有机分子、硅酸盐玻璃和硫化合物中。那么，早期地球也许同样充满了氢。 地球的岩浆海洋充满了氧。在2023年发表的一篇论文中，三位科学家想知道如果行星大气中的氢与其岩浆中的氧以某种方式混合会发生什么。氢不会自发地与氧结合，因此它们并非最愿意的化学伙伴。尽管如此，研究人员得出结论，这样的过程可以让行星自己制造水；他们只是不确定有多少。 两年后，劳伦斯利弗莫尔国家实验室物理学家哈里森·霍恩（Harrison Horn）、亚利桑那州立大学地球物理学家沈（S.-H. Dan Shim）及其他研究人员构建的一系列雄心勃勃的实验为他们提供了救命稻草。 除此之外，他们还想知道，为什么像望远镜观测所暗示的那样，常见的直径是地球两到四倍的系外行星——亚海王星——即使紧贴炽热的主恒星，也能拥有富含水的大气层。氢大气与岩浆海洋之间的反应是否足够？ 他们怀疑可能如此，但前提是大量氢给岩浆施加了足够的压力。“更高的压力是实现水生产的一大关键因素，”霍恩说，“它实际上增强了化学反应。” 为了测试他们的模型，研究团队想重现青少年期亚海王星上存在的极端（且极其危险的）条件。他们需要使用称为金刚石压砧的特殊工具将高度易燃的氢气置于高压之下，然后将其与用激光熔化的岩石样本结合。他们花了五年时间开发安全有效进行这些实验所需的技术。“我们打破了许多金刚石，”沈说，“这是一段激动人心的旅程。” 他们希望氢和氧会反应生成水。而事实正是如此，甚至超乎预期：高压氢与激光熔化岩石的反应效率如此之高，以至于制造出的水量是科学家预测的1000倍。（几乎同时发表的第二项实验室研究报告了类似结果。）“快速产生巨量水似乎并非不合理，”圣路易斯华盛顿大学行星科学家保罗·伯恩（Paul Byrne）说，“而且这些都是自家产的、原生的水”——无需彗星或小行星。 这是否意味着地球创造了它自己的海洋？这就有点模糊了。“该论文并未对地球做出强有力的断言，”霍恩说。但他和沈都认为这是一个合理的联系。“这是可能发生的，”沈说。 其他科学家同意地球上可能形成了一定量的水——但也许远不足以产生其海洋。“我认为早期通过氢反应产生一些水当然是可能的，”加州大学圣克鲁斯分校实验地球物理学家昆廷·威廉姆斯（Quentin Williams）说，“但可能产生多少则相当神秘。” 问题在于，没人知道早期地球大气中是否有足够的氢来产生反应所需的压力。亚海王星的质量远大于地球，其更强的引力更易留住氢。“地球恰恰处于这类事情可能开始发生的边缘，”霍恩说。 一些科学家不认为地球有足够质量大规模制造自己的水。“我有点怀疑一个地球质量大小的行星能否发生这种情况，”丹麦哥本哈根大学和瑞典隆德大学的天体物理学家安德斯·约翰森（Anders Johansen）说。但是，伯恩说，亚海王星实验表明，反应不需要持续很长时间就能产生巨量水。地球可能只是一个瞬间的水工厂，但那短暂的时刻可能足以铸造海洋。 如果是这样，那影响就远远超出了我们自己的太阳系。也许无数颗行星满足了可能是孕育生命所必需的条件，因为正如伯恩所说，它们“生来就富含水”。 ## **沉浸于可能性的海洋** 至少有一部分地球的水可能来自地球自身的过程。但这并非故事的结局：彗星正在回归。 到2014年罗塞塔与鸭形彗星67P相遇时，科学家已经研究了其他11颗彗星的水。除了一个例外，所有彗星的D/H比都与地球不同。2011年，ESA的赫歇尔空间天文台发现彗星哈特利2号的水具有更像地球的特征。 这一观测结果似乎异常。但在2024年发表的一篇论文中，科学家重新审视了罗塞塔对彗星67P的分析——并发现太空可能篡改了数据。在样本采集时，罗塞塔正飞过含有重水的尘埃。被这些尘埃包围的冰冷彗星体本身可能相当类地。随后，在2025年发表的一篇论文中，对彗星12P/庞斯-布鲁克斯的观测检测到与地球海洋非常相似的D/H比。 那么，一直都是彗星吗？还是小行星？还是地球独立打开了水龙头？“我怀疑是它们的组合，”米奇说。或许很难找到与我们星球水化学完美匹配的外星来源，因为它可能是一个如此独特的混合体。