专家:地球的水来自彗星撞击 每分钟新增两千吨

地球上的水从哪里来

核心提示

近期,美国研究人员对阿波罗11号、16号和17号飞船带回的月球土壤样本进行了分析,结果显示其中所含有的氢氧基中的氢原子,其同位素比例等特征与太阳风中的氢原子相似,并据此推断,月球上的水可能部分来自太阳风。

地球拥有浩瀚的海洋、奔腾的江河、翻滚的云、充沛的雨,与月球相比,其水量可谓无穷无尽,是太阳系中名副其实的“水球”。地球上如此之多的、孕育出生命的水,也是从太阳风中得来的吗?答案如果是否定的,那么地球上的水又是来自哪里呢?

月球因为没有大气层太阳风能吹来部分水

辽宁日报:新一期英国《自然-地学》杂志刊登报告说,美国研究人员对阿波罗系列探月飞船带回的月球土壤样本进行分析后认为,月球上存在的水可能来源于太阳风,这说明其他一些星球也可能同样因此而存在水。在我们的印象中,太阳风是高温的,应该对月球的水分有蒸发的作用,怎么会产生水呢?

萧耐园:根据20世纪70年代后期的理论模型表明,来自太阳风中的氢离子(质子)可与氧结合形成水和相关化合物,称为羟基 (化学式是OH),它由一个氢原子和一个氧原子组成。通过这一原理我们得知,当太阳风经过月球时,将氢离子带到月球表面,与月球土壤中富含氧的矿物质发生相互作用,最终氢离子被转化成水和相关化合物储存在月球土壤的玻璃质颗粒中。

近日,美国研究人员借助红外光谱法和质谱分析法对阿波罗任务带回的月球土样进行分析后发现,月球土壤中的玻璃样颗粒含有大量的羟基。他们借助光谱学查看玻璃样颗粒中的氢与氘(重氢)的比例,发现氢与氘的比例与太阳风里发现的这一比例基本相符,所以认为这些月球土壤中的水可能来源于太阳风。

但太阳风所形成的水分存量不会很多,月球表面的最高温度可达127℃,即使太阳风中的氢离子转化为水分,也很难得以保存。

辽宁日报:即使存量不多,太阳风形成水分这样一个机制是存在的,是否意味着太阳系中的其他星球有可能因此而存在水?

萧耐园:太阳风是从太阳上层大气射出的等离子体带电粒子流。粒子流的温度和速度随着时间的推移而发生变化。这些高能带电的粒子流具有极大的动能,能够挣脱太阳的引力以超声速冲向太阳系边缘。由于地球有厚厚的大气层和磁场,太阳风很难抵达地球,但是月球因为没有这些保护层而不断遭受太阳风的袭击,其中的粒子留在月球表面的尘埃中。对于其他星球来说,太阳风形成水的机制是存在的,但是同样并不会产生很大水分,尤其像水星这样距离太阳非常近的行星,由于酷热的环境,更无法保持水分。

辽宁日报:月球表面的最高温度也可达127℃,它的水分如何得以保存?

萧耐园:月球上的水储存在南北极的陨石坑内。长期以来,人们认为月亮上面是没有水的。 1994年美国向月球发射了克里门汀号探测器,成为环绕月球的卫星。在1997年下半年的时候,它发回了一张月球南极地区的雷达照片。美国科学家经过分析认为,照片上反映出月球的南极地区表面有水冰。

为了进一步证实这个发现,1998年初美国发射了月球全球勘探者号探测器,专门去探测月球表面的水分。月球全球勘探者号探测器进一步证实,不光在月球的南极有水,在北极也有水。这些水是完全结成冰的,而且月球表面的水冰呈现为很小的颗粒,跟尘土混合在一起。在月球两极的大环形山山底,终年照不到阳光,温度很低,低到-230℃,所以水不会蒸发。至于在月球的其他地方,在阳光照射下温度高达127℃,水是很容易蒸发掉的。所以只有月球的两极可能存在水冰。

地球的水来自彗星撞击平均每分钟新增两千吨

辽宁日报:既然太阳风形成的水量较少,那么月球上的水来自哪儿?

萧耐园:我个人认为月球水源于彗星撞击。在月球形成初期,小天体持续不断地撞击月球。这类小天体主要是小行星和彗星。撞击的结果是形成了累累的陨击坑,而彗星则带来了大量水分。值得一提的是,在月球上发现的水,并不是我们想象中的“液体水”,而是水冰,这些水冰是和月球土壤混合在一起的,与地球上成块儿的冰不同,不能直接开发使用。在月球的南北极,有些陨石坑在几十亿年间从未接受过太阳照射,因此各类物质得以保持“原生态”,水冰也得以保存下来。

辽宁日报:如果一个星球上存在水,可能有几种成因?

萧耐园:我们以地球为例,地球作为名副其实的水球,水的起源也有多种观点。

最早的观点认为,水是地球土生土长的,也就是说水来自地球本身。地球从原始星云凝聚成行星时,地球内部释放出大量的氢气和氧气;加上太阳发出的粒子流,也给地球带来了氢气和氧气。这些气体通过化学反应,形成了水。

对于水来自地球内部的说法,还有一些学者认为,这是火山爆发形成的。据分析研究表明,火山喷发的岩浆中平均含有7%的水分,而冷凝形成的岩浆中都只含1%的水分,地质史上无数次的岩浆活动每年析出6%的水分,就酿成如今汪洋一片。近些年一些火山爆发后,应该也有水分子蒸发,但都散在空气中,被火山灰包裹,因此,很难判断一场火山爆发究竟能有多少水就此诞生。

辽宁日报:月球上的水来自于彗星的撞击,那么地球是否也有同样的经历?

萧耐园:在关于地球水的来源中,我个人比较赞同的观点是:地球形成初期,大量的彗星撞击地球撞出来的。彗星是个“脏雪球”,通常大小从几十米至几百米不等。在地球形成之初,太阳系内,在海王星轨道至离太阳40至100天文单位的环带内,有一个彗星“仓库”,估计包含1亿至1万亿颗彗星,被称为柯伊伯带。除了柯伊伯带内有大量彗星外,1950年,荷兰天文学家奥尔特提出在轨道半径长3万到10万天文单位处还另有彗星仓库――彗星云,后被称为奥尔特云,有上万亿颗彗星。

柯伊伯带是环形的带,而奥尔特云是球状的。大概在地球还只有4亿岁的时候,宇宙这个大型实验室内不断进行自发的化学和物理实验。大量“脏雪球”彗星撞击地球,撞击过程中彗星的水被释放出来,水分子想逃逸,但是被地球引力和大气层牢牢缠住,于是,就留在了地球上。经过岁月的长河,彗星撞击地球产生的水便变成了现在的样子。

而且最近,美国衣阿华大学研究小组的科学家,从人造卫星发回的数千张地球大气紫外辐射图像中,发现在圆盘形状的地球图像上总有一些小黑斑。每个小黑斑大约存在2至3分钟,面积约有2000平方公里。经过分析,这些斑点是由一些看不见的冰块组成的小彗星冲入地球大气层,破裂和融化成水蒸气造成的。科学家估计,每分钟大约有20颗平均直径为10米的冰状小彗星进入地球大气层,每颗释放约100吨水。

宇宙中潜伏着大量的水地球位置独特留住了水

辽宁日报:对于整个宇宙来说,水是一种稀缺物质吗?

萧耐园:我们通常使用射电天文的方法在宇宙中寻找水的足迹。在浩渺的宇宙中,水分子的存在很普遍,氢原子和氧原子在太空中自由漫步,但是不经意间的组合便是水了,它们或是气态的,或是液态的,或是固态的,科学家们通过搜寻,发现宇宙中潜伏了大量的水分子。

辽宁日报:既然宇宙中不缺水,太阳系中为什么地球上的水最多?

萧耐园:法国里昂高等师范学院地球科学实验室地质化学教授弗朗西斯・阿尔巴莱德说,地球上的水还和地球在太阳系中的独特位置有关。地球上的水的确是由某种力量放置在地球上的,而且通过大气水循环将这些水固定在地球上。如果只是放置了水,而没有大气层的话,即使有再大量的水,也早就散失在太空中了。据估计,地幔中的含水量与地表相当。这意味着地球质量的0.05%是水。要达到如此储量,只需1000万枚“哈雷”规模的彗星降临地球即可。

当然,地球并不是这份天外甘霖的唯一受益者,太阳系中其他岩石行星也经受了同样的轰击,但地球是唯一将这些水分保存下来的星球。通过探测器拍摄的火星图片,我们可以看到许多水流动过的痕迹。

辽宁日报:为什么其他星球没有将这些水留下来?

萧耐园:在离太阳最近的水星与金星上,水分蒸发并逃逸到了太空中。火星则因大气层太稀薄,加上太阳的照射,绝大部分水分散失到了空间当中。此外,月球的情况也差不多,只有地球所处位置绝佳,水分得以在此完整经历固、液、气三态间的循环。

辽宁日报:在地球上,许多有水的地方都发现有生命存在,对于其他星球来说是否也是这样?

萧耐园:水被认为是孕育生命的源泉,所以,科学家们寻找可能存在的地外生命时,第一步就看是否有支持生命的基础――水的存在。尽管在行星上发现有水的痕迹,却还是不能完全证明存在生命,但至少说明具备了有生命的最基本条件。就太阳系的其他星球来说,它们的环境对于生命来说太过残酷,所以有生命存在的可能性非常小。 □本报记者/张晓丽

专家档案

萧耐园 南京大学天文系教授、中国科学院紫金山天文台客座研究员、澳门科技大学访问教授、南京艺术学院“意大利语”课特聘教师。