有多少水深藏在太陽(yáng)系？

謝懿

潮濕的太陽(yáng)系

這幾年，由于美國(guó)航空航天局在火星探測(cè)領(lǐng)域取得了巨大的成功，火星在太陽(yáng)系內(nèi)大出風(fēng)頭，每每有新發(fā)現(xiàn)，便是舉世矚目，尤其是發(fā)現(xiàn)什么和水有關(guān)的東西。這常常給人一種錯(cuò)覺，好像在太陽(yáng)系乃至整個(gè)宇宙，水都是非常罕見的東西。

事實(shí)上，在整個(gè)太陽(yáng)系，水是非常常見的物質(zhì)，尤其在太陽(yáng)系外圍的天體中，水大面積存在。小行星帶、木星的幾個(gè)衛(wèi)星、土星環(huán)及土星的衛(wèi)星等都擁有大量的水。如果將這些水平均分配到圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的天體上，那整個(gè)太陽(yáng)系將是非常非常濕潤(rùn)的。

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走遍太陽(yáng)系各個(gè)角落的“旅行者”號(hào)、“海盜”號(hào)、“先驅(qū)者”號(hào)等行星探測(cè)器，為我們描繪出一張?zhí)?yáng)系的水分布圖。盡管這些水并不能滿足我們的生活需要，卻向我們揭示了行星以及衛(wèi)星的歷史，并時(shí)刻提醒我們?cè)诘厍蛑獯嬖谏目赡苄浴?/p>

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天文學(xué)家習(xí)慣把地球稱為“水世界”，因?yàn)槠涑^(guò)70%的表面被咸水、可飲用水以及冰所覆蓋。其實(shí)在外太陽(yáng)系，水更加豐盈。土星光環(huán)中所包含的水是地球上所有海洋中水的2600萬(wàn)倍。一顆普通的彗星就攜帶有數(shù)十億噸水冰?；鹦呛湍拘侵g的小行星帶有10%的成分是水。但在火星軌道以內(nèi)的內(nèi)太陽(yáng)系卻并非如此：火星、金星、水星都僅有微量水存在。

水從哪里來(lái)

內(nèi)太陽(yáng)系行星獲得水的途徑有許多種。構(gòu)成它們的原始物質(zhì)中可能本身就含有大量的水。此后，它們還可以因彗星和小行星的撞擊不定期地得到水。

行星形成于一個(gè)氣體和塵埃盤中。這些塵埃會(huì)向這個(gè)盤的中平面沉降，在那里凝聚成星子，星子進(jìn)一步聚集成行星。在這個(gè)盤中有一條神奇的分界線，被稱為“雪線”，水在那里開始凝固?！把┚€”之外會(huì)比“雪線”之內(nèi)擁有多得多的固體團(tuán)塊，因此，巨行星的核心會(huì)首先形成。巨行星木星會(huì)把小行星拋入內(nèi)太陽(yáng)系，由此把水帶到內(nèi)太陽(yáng)系的其他行星上。

持這一觀點(diǎn)的科學(xué)家認(rèn)為，內(nèi)太陽(yáng)系形成于相對(duì)干燥的環(huán)境中，而外圍的小行星帶則包含了大量的水，其中多達(dá)10%的物質(zhì)以含水礦物的形式出現(xiàn)。地球的大部分水都來(lái)自外圍的小行星帶。

這興許可以解釋為什么金星比地球干燥得多。金星和地球形成于原始太陽(yáng)星云中相同的區(qū)域，但前者所含的水只有后者的十萬(wàn)分之一。有意思的是，根據(jù)目前最廣為學(xué)者接受的太陽(yáng)系演化理論，所有的行星都形成于小行星帶的外側(cè)區(qū)域內(nèi)，之后再和木星的引力相互作用，才被散射出小行星帶。如果行星胚胎是在小行星帶的中間區(qū)域發(fā)育的，那我們就應(yīng)該能看到小行星帶留有縫隙。事實(shí)上，小行星帶盡管有空隙，但物質(zhì)分布十分均勻。這就要求小行星帶的質(zhì)量必須很小。如果是這樣，地球上的水就不可能都來(lái)自小行星帶。如果小行星帶的質(zhì)量達(dá)到能向地球提供其海洋中所有的水的話，那灶神星（小行星帶中一個(gè)較大的天體，直徑約550千米）所遭受的撞擊將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出“黎明”號(hào)探測(cè)器探測(cè)到的程度。

科學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為，地球上的水有很多來(lái)自外太陽(yáng)系的彗星。但今天，這一觀點(diǎn)已受到質(zhì)疑，因?yàn)閷?duì)于從遠(yuǎn)處進(jìn)入太陽(yáng)系腹地的彗星來(lái)說(shuō)，木星的引力就像一道屏障。而且，大多數(shù)彗星所具有的氘氫比也與地球上的值迥然有別，小行星的氘氫比則與地球的相仿。

水去了哪里

除非被塵土所覆蓋，水無(wú)法在真空中長(zhǎng)時(shí)間存在，也無(wú)法在陽(yáng)光照射下幸存。水星和月球上的一些極深的環(huán)形山內(nèi)終年不見陽(yáng)光，雷達(dá)在那里發(fā)現(xiàn)了存在水的跡象。在美國(guó)用觀測(cè)和傳感衛(wèi)星撞擊月球南極的時(shí)候，也發(fā)現(xiàn)了那里有水存在的證據(jù)。

行星大氣中的氘氫之比可以告訴我們它曾經(jīng)擁有多少水以及它可能流失了多少水。氘是氫的一種同位素，原子核中除了一個(gè)質(zhì)子之外，原子核還含有一個(gè)中子。當(dāng)水被分解成氫和氧時(shí)，較輕的氫會(huì)向太空逃逸，而較重的氧則會(huì)和其他元素結(jié)合，有一種物質(zhì)卻會(huì)保持自身的本色，它就是氘。雖然更輕的氫原子會(huì)向太空逃逸，氘的豐度卻幾乎是恒定的。行星上氘的含量為測(cè)試該星球氫和水的流失量提供了絕佳的線索。

1978年，美國(guó)航空航天局的“先驅(qū)者”號(hào)金星探測(cè)器在金星大氣中發(fā)現(xiàn)了高濃度的氘，氘和氫的比值是地球的約100倍，暗示金星已有大量氫流失。天文學(xué)家認(rèn)為，這等同于水的流失，因?yàn)樵趦?nèi)太陽(yáng)系中，水是占據(jù)主要地位的含氫分子，表明金星的過(guò)往就是一部流失水的歷史。

那么，金星過(guò)去是否擁有過(guò)類似地球上的海洋呢？雖然科學(xué)家已經(jīng)建立了多種有關(guān)行星如何失去水的理論模型，但他們對(duì)這個(gè)問(wèn)題的回答仍很謹(jǐn)慎。有一種觀點(diǎn)是，失控的溫室效應(yīng)可以讓金星上可能存在的整個(gè)海洋都蒸發(fā)殆盡。不過(guò)，溫室效應(yīng)不會(huì)留下氘氫比這樣的“同位素信號(hào)”。流體動(dòng)力學(xué)也可以部分解釋金星上水流失的過(guò)程。隨著金星大氣層增厚，氣流會(huì)帶著水緩緩流失，不會(huì)留下氘氫比印跡。此外，還有許多不依賴于熱量的水流失機(jī)制，它們甚至在今天依然奏效。例如，金星上豐富的硫與水發(fā)生反應(yīng)，生成二氧化硫，并釋放出氫原子。有科學(xué)家懷疑，金星曾經(jīng)擁有海洋，因?yàn)樗碾畾浔劝凳?，其過(guò)去的水量至少是現(xiàn)在的100倍。

更靠近小行星帶這一“水源地”的火星是我們相對(duì)了解得多的地方。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了火星兩極的冰冠，近來(lái)又發(fā)現(xiàn)了其干涸的河谷網(wǎng)絡(luò)以及曾經(jīng)可能是淺海的大型盆地?；鹦擒噷?duì)火星巖石的分析顯示，在很久以前，火星上可能有長(zhǎng)期存在的咸水湖泊。環(huán)火星探測(cè)器發(fā)現(xiàn)，火星的地表之下可能存在大量的冰。

有兩大因素主導(dǎo)了火星上水的流失。首要原因是火星的引力不夠強(qiáng)，無(wú)法束縛濃密的大氣；其次是小行星和彗星的大規(guī)模撞擊使其大氣逃逸。相比地球和金星而言，由于引力小，火星在撞擊面前更加脆弱。

有多少水在我們常識(shí)之外

除了木星和土星的大氣層以及天王星和海王星的核心含有水之外，那里各式各樣的冰質(zhì)衛(wèi)星也飽含水。在它們的冰幔中，可能藏著從地下湖泊到巨大海洋不等的水體。這些衛(wèi)星和它們宿主行星之間的軌道共振會(huì)加熱這些冰，當(dāng)這種共振達(dá)到某一特殊值，引力會(huì)加熱這兩個(gè)天體的內(nèi)部。外太陽(yáng)系中的許多衛(wèi)星都處于這樣的共振中。

木星的衛(wèi)星木衛(wèi)二是地外海洋——甚至可能藏有地外生命——的典范。這個(gè)比月球稍小一些的衛(wèi)星被一個(gè)水冰殼層所覆蓋。然而，這一殼層卻并非完全是固態(tài)的，在它的下面可能有一個(gè)深100千米的海洋，但那里也許并不適合潛水艇航行。科學(xué)家猜測(cè)，其海水可能含鹽且呈酸性。木星的另外兩顆大型衛(wèi)星也十分濕潤(rùn)。木衛(wèi)三和木衛(wèi)四的巖質(zhì)核心之外都有厚厚的冰殼，在這些冰層下方的深處可能存在海洋。而它們的表面則被一層深色的有機(jī)物質(zhì)所覆蓋。

在更遙遠(yuǎn)的地方，水同樣占據(jù)著土星、天王星和海王星的衛(wèi)星，其中土星的衛(wèi)星土衛(wèi)二上的噴泉是其擁有地下水的最直接證據(jù)。起初，科學(xué)家認(rèn)為，這些噴泉源自淺湖，但現(xiàn)在有一些人相信，它們?cè)醋愿畹乃w。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，土衛(wèi)二上的地質(zhì)作用使得其內(nèi)部海洋的咸水被噴射進(jìn)太空。此外，土星最大的衛(wèi)星土衛(wèi)六也富含水，不過(guò)它們都是以地表堅(jiān)冰的形式存在的。

環(huán)繞天王星和海王星的衛(wèi)星則記錄下了過(guò)去的地質(zhì)災(zāi)害。天王星的衛(wèi)星天衛(wèi)五就展現(xiàn)出過(guò)往活動(dòng)的跡象。雖然天王星的衛(wèi)星系統(tǒng)目前不具有類似木星系統(tǒng)的長(zhǎng)期共振，但它們可能曾經(jīng)也發(fā)生，并且在消亡前也活躍過(guò)一段時(shí)間。

海王星最大的衛(wèi)星海衛(wèi)一也許是一顆被俘獲的柯伊伯帶天體。在其被俘獲的過(guò)程中可能經(jīng)歷了劇烈的加熱過(guò)程，在它的內(nèi)部可能具有液態(tài)水。在柯伊伯帶中還有大量的水冰圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，再往外還有彗星的巨大地盤——奧爾特云。

除了個(gè)別幾個(gè)外，放眼太陽(yáng)系，到處都能看到水的蹤影。從這個(gè)角度來(lái)看，我們并不特殊。在整個(gè)宇宙中，水必定也會(huì)遍及行星系統(tǒng)。如果到處都有水，那距離出現(xiàn)生命還會(huì)遠(yuǎn)嗎？

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水星北極有10億噸冰

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2012年11月29日，美國(guó)航空航天局發(fā)布消息稱，在水星北極的永久陰暗處可能儲(chǔ)存有10億噸冰。這顆離太陽(yáng)最近的火熱的星球，因?yàn)闆](méi)有大氣層，熱量難以傳播，所以擁有太陽(yáng)系最大的晝夜溫差，而在它終年不見陽(yáng)光的北極，則一直保持著極度低溫，那兒藏有大量的冰。這些冰存在于水星永恒的陰暗角落，厚度從50厘米到20米。科學(xué)家猜測(cè)，水星的南極也存在冰，但是信息探測(cè)器還無(wú)法靠近那個(gè)區(qū)域以取得證據(jù)。這個(gè)探測(cè)器于2004年發(fā)射升空，2011年3月才到達(dá)水星的衛(wèi)星軌道，這是人類第一次如接近水星。當(dāng)然，很少有人會(huì)覺得水星上有可能存在生命，因?yàn)槟莾旱沫h(huán)境是在是太嚴(yán)酷了。不過(guò)，該項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人索羅門認(rèn)為，這些探測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)科學(xué)家揭示地球上生命形成的早期過(guò)程很有幫助，也許，人類是來(lái)自其他星球。

灶神星上也有水

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灶神星是小行星帶中的第二大天體，曾被認(rèn)為極其干燥。然而，2012年夏天，美國(guó)航空航天局的“黎明”號(hào)探測(cè)器卻發(fā)現(xiàn)其赤道地區(qū)的氫含量超過(guò)正常無(wú)水巖石天體，這意味著灶神星上可能有水，初步估計(jì)，含水量達(dá)400ppm（即百萬(wàn)分之一）。相關(guān)研究人員認(rèn)為，一些更小的、富含水的小行星落到灶神星的表面，并給它帶來(lái)了水。

“黎明”號(hào)探測(cè)器于2012年9月5日離開灶神星軌道，如今正在向小行星帶中最大的天體谷神星前進(jìn)。谷神星上也有水，一些科學(xué)家甚至推測(cè)，它可能擁有一個(gè)位于地下的咸咸的海洋。