地球之水哪里來

李忠東

在太陽系八大行星中，地球是目前唯一被液態(tài)水覆蓋了大部分地表的星球。在這顆藍色星球上，陸地面積只占地球表面的29.2%，剩下的70.8%全是茫茫大海。其中，僅太平洋的面積就達到了18134.4萬平方千米，約占地球總面積的1/3，和陸地面積總和不相上下。

地球水資源主要分布在海洋、南北極冰川和陸地水系中，總量約為13.6億立方千米。但是，那么多的水究竟是從哪里來的呢？科學界始終莫衷一是。

水與火之歌

大約在50～55億年前，太陽星云分化出來的固體碎片塵埃和氣態(tài)物質在宇宙中聚集，構建成了最初的地球，而其內(nèi)核則由固體塵埃聚攏結合而成。

在原始階段，地球的結構十分松散，質量不大，引力很小，溫度也非常低。它既沒有大氣，也沒有海洋，是一個沒有生命的世界。不過在隨后的幾億年里，地球開始不斷收縮，內(nèi)核放射性物質隨之產(chǎn)生能量，并使得地球溫度越來越高。結果，有些物質慢慢變暖熔化，鐵、鎳等較重的物質大部分聚集在地球中心部位形成地核，最輕的物質則浮于地表。雖然逐漸降低的表面溫度將地表變成了堅硬的地殼，但是內(nèi)部的高溫仍然讓巖漿活動異常激烈。從地幔里噴涌而出的熔融巖漿，導致在一些地方隆起形成山峰，或是導致某些地方下陷形成低地與山谷。

隨火山噴發(fā)而出的大量水蒸氣和二氧化碳等氣體，由于無法擺脫地球引力而圍繞著地球，構成了“原始的地球大氣”。最初形成原始地球的固體塵埃大多為無機鹽之類的物質，內(nèi)部蘊藏著許多水分子，即“結晶水合物”。其中的結晶水在地球內(nèi)部高溫作用下被離析出來，變成了水蒸氣。如果條件適宜，噴到空中的水蒸氣也會冷卻成云，形成降雨。長時間的降雨使地殼低洼處的積水越來越多，形成了最初的海洋和湖泊。

此后，地球內(nèi)部產(chǎn)生的水蒸氣被源源不斷地送入大氣層，地面水量也隨之不斷增加，幾十億年后終于形成了現(xiàn)在的江河湖海。

這就是“火山說”——地球之水來自火山。這是一種相當具有代表性的觀點，而且還有著充分的證據(jù)支持。

2012年，科學家對組成地球地幔的球粒隕石進行分析，結果發(fā)現(xiàn)其中竟然含有0.5%～5%的水，最多處可達10%。即便在當初組成原始地球的隕石中，僅有1/800是這些球粒隕石，那也足以形成今天的地球水圈。此外，科學家研究發(fā)現(xiàn)，火山噴發(fā)的確會將大量水蒸氣釋放到地球大氣中，可占到噴發(fā)量的75%。以美國阿拉斯加一座名為“萬煙谷”的火山為例，其每年噴出的水蒸氣就有6600萬噸。

來自宇宙的禮物

有關水的來源，目前最時髦的理論就是美國科學家提出的“彗星說”。該理論認為，地球上的水與冰塊彗星有很大的關聯(lián)，正是來自太空、攜帶有水和其他有機分子的彗星和小行星撞擊了地球，才使地球產(chǎn)生了水。

科學家經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，由于大氣中水蒸氣分子在太陽紫外線的作用下，會分解成氫原子和氧原子，因此地球表面的水會持續(xù)向太空流失。而當氫原子上升到距地面80～100千米的高熱層中時，它們的運動速度將超過第一宇宙速度，進而脫離地球進入太空。推算結果表明，飛離地球表面的水量大致等于進入地球表面的水量，那么地球的水量應該基本保持不變。然而令研究人員迷惑不解的是，兩萬年來，世界海洋的水位上升了大約100米。

1987年，美國愛荷華大學的研究團隊在觀察人造衛(wèi)星發(fā)回的數(shù)千張地球大氣紫外輻射圖像中，注意到了地球上的一些“黑斑”?？茖W家猜測，這些“黑斑”是冰塊彗星沖入地球大氣層，破裂和融化成水蒸氣后造成的。而每個冰塊慧星的直徑在20千米左右，面積約有2000平方千米，能夠釋放100噸水?！板缧钦f”認為，正是由于這些天外來客的不斷補給，才使地球表面的水量持續(xù)增加，最終擁有了如今的水位。

圖3也許火星之水只是處于“睡眠狀態(tài)”罷了

最近，科學家第一次發(fā)現(xiàn)了可證明“彗星說”的依據(jù)——一顆被稱為利內(nèi)亞爾的冰塊彗星。這顆彗星在離木星軌道不遠的地方誕生，含水33億噸，如若澆灑在地球上則可形成一個巨大的湖泊。雖然利內(nèi)亞爾彗星在熾烈的陽光下蒸發(fā)成了蒸氣，并沒有來到地球，但相關研究表明，這顆彗星攜帶的水與地球上的水非常相似。因此科學家大膽推測，在太陽系形成之初，許多類似利內(nèi)亞爾的彗星都攜帶著大量水來到了地球。

美國宇航局專家約翰·瑪瑪指出：“這些彗星并不是像小行星撞擊那樣造訪地球，而是像雪球般落到了地球上，更像是軟撞擊，只有大氣層的上層受到破壞，而撞擊時釋放出來的有機分子并沒有受到損害，因此保證了水資源的完好無損?！?/p>

“躲”在地幔中

2014年，加拿大研究人員發(fā)表報告稱，他們首次發(fā)現(xiàn)了來自上下地幔過渡帶的一塊尖晶橄欖石，其含水量為1.5%。這是一種罕見的親水性礦物，埋藏在地下400～600千米的地幔深處。研究人員在實驗室中合成了一些人造尖晶橄欖石，并模擬了地下660千米深處的高溫高壓環(huán)境，結果這些“尖晶橄欖石”發(fā)生了部分熔融，就像出汗一樣釋放出水分子。

科學家推測，即便這個“過渡層水庫”的含水量只有地幔巖石重量的1%，它也將成為迄今人們發(fā)現(xiàn)最大的地下水源，含水量甚至可能是全世界海洋水量的3倍。據(jù)此，科學家提出了一個全新的理論——地球上的水很有可能本身就存在于地球內(nèi)部，這些儲存在尖晶橄欖石里的水構成了一片巨大的地下“海洋”（圖1）。

圖2地幔中的遠古水非常粘稠

美國俄亥俄州立大學的地球科學副教授溫迪·帕內(nèi)羅指出：“在太陽系中，地球是唯一一顆擁有活躍板塊運動的行星，也許地幔中的這些水正是造成板塊運動的主要原因。而由于地殼活動劇烈且頻繁，這些水又從地表冒出，形成了今天的海洋，造就了一個適宜人類居住的星球?！边@是不是和《地心游記》中的情節(jié)很像呢？150年前，法國“科幻小說之父”儒勒·凡爾納就在書中描繪了一個深藏在地球表面之下的巨大海洋，而它并不以液態(tài)水的形式存在。凡爾納甚至對地下海洋還有一個幻想：在一條地下巖石的海岸線上，點綴著長有巨大蘑菇和石化樹的森林。

研究人員表示，雖然從外表上看，這些尖晶橄欖石非常干燥，但在它的自然空隙和晶體缺陷中，“鎖”住了一些氫原子，而礦物中富含氧，兩者結合便能形成水。雜散的氫原子可能只構成了地幔巖的很小一部分，但鑒于地幔占地球體積的80%以上，也就意味著這些雜散的原子能夠形成大量的水。

雖然這次發(fā)現(xiàn)的地下水源量相當可觀，可以將地球上所有的海洋再重新灌滿三次，但它們深埋地下，而且存在形式與普通的水不一樣，并非以液體、冰塊或者水蒸氣的形式存在，而是一種藍色的礦物，因此很難提取。

另外，就在不久前，美國俄亥俄州立大學的科學家研究發(fā)現(xiàn)，地球通過板塊運動，至今仍在將少量的水釋放到地球表面，為海洋提供補給。

至此，“地幔說”、“火山說”和“彗星說”成為了地球之水來源的三大主流理論。不過，地幔中的遠古水資源含鹽量較高，與巖石發(fā)生反應時會產(chǎn)生大量的氫，和深海熱液噴口周圍的環(huán)境類似，而且它們的粘性較高，就像楓蜜漿一樣（圖2）。

雖然我們目前還未完全確認地球之水的確切來源，但科學家已經(jīng)將部分研究方向轉移到了火星?；鹦潜砻鎺r石與地球一樣，形成于數(shù)十億年前，產(chǎn)生氫氣的方式也與地球十分相似。如果地幔之水真的大量存在，那也就意味著火星上很可能也有水資源，只不過它們還處于“睡眠狀態(tài)”罷了（圖3）。

也許只有解決了太陽系和地球的起源等諸多問題，我們才能找到地球之水的真正來源。