地球上的水来源于何处?

水的地位至关重要。然而,地球水的来源却一直存在着争议。最近报道的一项研究提供了新的线索:地球水可能来源于星际有机物。

作为“生命之源”,水至关重要。它不仅是地球上最常见的物质之一,也是生物体的重要组成部分。地球上水的存在是生物赖以生存的基本条件,也是维持气候、地貌、生态等各方面不可或缺的重要角色。

地球上的水来源于何处?
五行的哲学。图源: Pixabay

中国古代哲学中的“五行”便有水的一席,它不仅代表着“水”这种物质本身,也代表了所有的液体,以及具有流动、湿润、阴柔性质的事物。这意味着很早以前人们就意识到了水在各方面所占有的重要地位。

水是如此重要,但地球上的水究竟来源于何处,科学界却一直存在着争议。

有观点认为,在地球形成的初期,原始大气中的氢 (元素符号:H)、氧 (元素符号:O) 化合而成水,水蒸气进而逐步凝结并降落地表形成海洋。

地球上的水来源于何处?
图源: Pixabay

也有观点认为,原始地壳中硅酸盐等物质受火山影响而发生化学反应并析出水分。还有观点认为,来源于雪线之外,并降落在地球上的含有水合硅酸盐的冰彗星或冰陨石是地球上水的主要来源。

在天文学或行星科学中,雪线又称冻结线或冰线,是指能让挥发性物质(如水、氨和甲烷等)凝聚为固体冰粒的最小距离(由母恒星中心起计算)。温度在雪线之下的低温能让更多的固体颗粒吸积成为微行星,最终成为行星。

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地球上的水来源于何处?
图源: Pixabay

其实,不仅是地球上的水,太阳系内物质的起源和演化,都是在假定有关成分仅是硅酸盐和冰的基础上进行研究和讨论的。最近,一项新的研究报道显示,地球上的水可能来源于雪线内的星际有机物。

报道这项进展的研究团队首先用化学试剂代替星际分子云中的有机物。为了实现较高的模拟准确性,他们参考了含有水、一氧化碳和氨的混合物的光解反应上来模拟其自然合成过程。经过分析,研究人员得出了一些星际有机物的“通式”,并围绕这些性质与通式最终选定了一些醇、脂肪酸、酮与胺化合物作为模拟星际有机物的类似物。

地球上的水来源于何处?
星云中的有机物可能是地球水的来源。图源: NASA, ESA, the Hubble Heritage Team

随后,研究人员在加压条件下于钻石对顶砧 (diamond anvil cell) 中将星际有机物的类似物从24 ℃逐渐加热到400 ℃。样品在150 ℃以内都是呈现均匀的,并从浅黄色变为了黄色。从150 ℃开始,样品分成了两相,一相为透明并且具有低粘度;另一相为深棕色且具有高粘度。继续加热,在约350 ℃时,样品所呈现出的两相再次变为一相。与此同时,水滴形成,并且随着温度的升高,水滴相互融合而变大。在400 ℃时,除了可以看到生成的水滴以外,还生成了黑油。

地球上的水来源于何处?
左: 起始原料——星际有机物类似物;右: 从加热到400 ℃的实验中回收的黑色油状物及水相产物。图源: 《科学-进展》 (CC-BY 4.0)

除此之外,研究团队还对大量的有机物进行了类似的实验,这些有机物在实验中也生成了水和油。对吸收光谱的分析表明,水相的主要成分是纯水。此外,通过对生成的油状物的化学分析显示,这些油状物与在地下发现的典型原油有着相似的特征。

这些研究结果说明水冰并不是地球水的唯一来源,并且在小行星、冰卫星和矮行星中也存在着石油。

参考文献:

  1. Nakano, H. et al. “Precometary organic matter: A hidden reservoir of water inside the snow line”, Sci. Rep., 2020, 10, 7755.
  2. “New insight into the origin of water on the earth”, Hokkaido University, July 17, 2020.
  3. Frost line (astrophysics), Wikipedia.

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