不需要彗星？不断成长的地球或许自己就能创造海洋

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综合编译：何沐萱

校译：牧夫天文校对组

美编：徐玖坤

后台：王启儒

https://www.universetoday.com/articles/no-comets-required-how-the-growing-earth-may-have-created-its-own-water

地球上的水究竟从何而来？

这是一个关乎地球为何能够孕育生命的基础性问题。长期以来，行星科学家一直在研究一个观点：

“彗星和小行星将水带到了地球上。这两类天体，尤其是彗星，本身就含有水；而且已知他们曾在地球形成早期大量地撞击地球。”

然而，科学家也逐渐认识到，岩质行星在形成过程中，会从太阳星云中吸积一层富含氢和氦的原始大气包层。既然水的化学式是H2O，那么地球在诞生时就已经获得了大量氢元素，剩下需要的只是氧元素。氧是否必须通过某种方式从外部输送到地球呢？

某种程度上是这样，但事情并不完全如此。一项名为《干燥卵石雨如何通过氧化铁的氢还原反应为地球输送水》的新研究揭示了其中的原因。

“当你眺望一片广阔的水域时，你其实很难想象这些水可能是在 45 亿年前的、地狱般的大气环境中形成的，但事实确实很可能如此。”

作者写道：“水对于行星的宜居性至关重要。然而，类地行星水的来源及其输送时间至今仍存在争议。”彗星和小行星输送水的理论必须满足一系列时间线与地球化学方面的限制。这些限制包括形成月球的巨大撞击事件、晚期重轰炸期，以及地球地幔中特定元素的丰度。而要让彗星和小行星输送水的理论与所有这些条件相吻合并非易事。

一颗处于岩浆海阶段的年轻行星。像地球这样的类地行星在形成时曾处于完全融化状态。在岩浆海阶段，彗星和小行星也有可能向年轻行星输送水

图片来源：Merikanto via Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

如果地球上的水并非来自外部，而是在地球自身的形成过程中产生，那么上述限制就不再构成同样的问题。研究作者写道：

“我们通过实验展示了：当一颗类地行星通过吸积毫米至厘米大小的硅酸盐卵石不断成长时，其上方富含氢的高温大气能够产生大量水。”

论文合著者 Sharp 在一份新闻稿中解释道：“过去关于地球水来源的观点都依赖于彗星或陨石等外部来源。而我们展示了一种新发现的机制，通过这种机制，几乎任何地球大小的行星都应该能够拥有水。而为了评估‘卵石雨’是否可能成为水的来源，我们必须设计并开展极具挑战性的高温实验。Garai 博士的努力取得了巨大成果，因为她发现在早期地球大气的高温环境中，仅仅几分钟就能产生水。”

当一颗原行星的质量超过约 0.3 个地球质量时，球粒和卵石便会缓慢地穿过其大气层。在长达数小时甚至数天的过程中，这些卵石的温度会持续高于其熔点，并经历大规模的氧化亚铁（FeO）还原反应。这一反应会移除氧化铁中的氧，使氧进入周围环境并最终形成水，同时留下金属铁。要让这一过程发生，必须存在一种能够在高温下发挥作用的强还原剂。在这一情景中，承担这一角色的正是大气中受热的氢气。

研究人员写道：“卵石沉降过程中释放的引力势能会直接加热大气，形成陡峭的大气温度接替。对于较大的行星而言，其表面温度可能会变得极高。”其具体温度可能超过 3,000 K（约 2,727°C），大气压强则可能超过 200 bar，约为海平面标准大气压的 197 倍。此外，下方的岩浆海也会持续加热整个系统。

研究人员指出，这些过程共同导致了以下现象：融化的卵石如雨般落向原行星表面，卵石中的挥发性物质在大气中释放，而氢、氦及其他挥发性物质则进入岩浆海。

这一图片的中心，是一颗正处于岩浆海阶段的极年轻地球。它是一颗由融化岩石构成的球体，周围包裹着一层与如今的大气截然不同的大气层。来自太阳星云的物质不断凝聚成卵石，在地球日益增强的引力作用下，这些卵石穿过高温大气，形成一场卵石雨，最终落到地狱般炽热的地表，逐渐并入不断成长的地球。

融化卵石雨穿过地球大气并落向地表的过程。卵石释放出挥发性物质，其中包括氢和氦。一部分氢和氦逃逸到太空，另一部分则进入岩浆海

图片来源：Garai et al. 2026. NatGeo

研究人员通过高温实验，尽可能模拟了地球冥古宙时期的极端环境。作者解释道：

“为了量化在星云大气中沉降的卵石里，铁的还原程度及其反应动力学，我们开展了一系列实验，将镁铁质和超镁铁质硅酸盐分别置于氦气流和氢气流中融化。”

镁铁质岩石和超镁铁质岩石是两大主要的火成岩类别，两者都富含铁和镁。

研究中的实验装置，用于加热硅酸盐岩石样品

图片来源：Garai et al. 2026. NatGeo

研究人员将硅酸盐岩石样品加热至 1,200–1,400°C，分别使其处于氢气流和氦气流中。实验持续时间从 15 分钟到 3 小时不等。这些实验条件模拟了地球成长过程中的一个阶段：此时，地球的质量已经足够大，能够吸引大量卵石落向自身，同时也足以维持一个富含氢气、温度极高且压力巨大的大气层。而持续流动的氢气和氦气，则模拟了卵石穿过大气层时的运动过程。

实验结果表明，在氢气环境中，近80%的氧化铁被转化为金属铁，同时产生了水蒸气。 而在氦气环境中，同样的反应并未发生。还原反应的效率取决于卵石中的金属含量，研究人员对此进行了计算。

作者写道：“按照这些效率对卵石中的 FeO 进行部分还原，就能产生惊人数量的水。在最高效率下，A 类成分能够产生相当于数百个海洋总水量的水，而 B 类成分则能够产生相当于数十个海洋总水量的水。”这里的 A 类和 B 类成分来自此前的研究。

不同成分、不同铁含量的卵石能够产生相当于多少个地球海洋的水量

图片来源：Garai et al. 2026. NatGeo

Sharp 表示：“我们原本就怀疑并希望，还原实验能够产生金属铁和水，但我们实际上无法预知反应会有多快、产量会有多大。当我们将实验结果外推后，发现这一过程可能产生相当于数百个海洋的水量，我们确实感到非常惊讶。当你眺望一片广阔的水域时，很难想象这些水可能是在 45 亿年前的，地狱般的大气环境中形成的，但事实确实很可能如此。”

长期以来，关于地球上的水来自彗星和小行星的观点一直存在一些难以解释之处，尽管这一理论仍然很有吸引力。这项研究展示了地球获得维持生命所需水分的另一种可能途径。这一结果也可能适用于其他恒星周围的行星，甚至包括火星。

Sharp 说：“卵石吸积的概念仍然相对较新，它在过去十年左右才逐渐发展起来。但它可能解决了现有行星形成理论中的许多问题。现在我们发现，它还能够解释为什么地球具有宜居性。进一步推论，其他恒星周围运行的地球大小天体，也有理由被认为可能拥有水，甚至可能孕育生命。”

不过，这项研究目前仍属于对基本机制可行性的初步验证。至于地球上的水究竟有多少真正来自这一过程，还需要进一步研究。研究人员写道，最终的净水量在很大程度上取决于生成的水有多少能够留存下来，又有多少会随着气体排放而重新逸散到星云中。

尽管水仍可能在后续过程中随着大气逃逸而流失，但研究人员认为，卵石雨产生的水代表着宜居行星演化过程中的一个早期且基础性的环节。当然，其他过程也可能参与了地球水的形成。彗星和小行星仍然有可能为地球输送了部分水。

地球上的水究竟从何而来，仍将是一个持续受到关注的研究课题。随着研究不断推进，科学家对这一问题的认识也将逐渐清晰。

——The End——

『天文湿刻』 牧夫出品

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图注：一颗系外行星下的融化铁滴雨