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重磅!关于地球水的起源,科学家有了颠覆发现

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地球表面七成被海水覆盖,关于这些水从何而来,行星科学家争论了几十年。

很长时间里,主流观点都认为水是太空快递而来:地球形成于太阳系内侧的高温区,原生物质基本是干燥的岩石,后来富含冰的彗星、小行星不断撞击,才把水带到了地球上。



但2026年9月发表在《自然·地球科学》上的一项实验研究,给出了另一种完全不同的答案:地球的水或许有相当一部分不用依赖外部输送,初生地球靠着自身的富氢原始大气层,就能让降落的干燥岩石直接演变出大量的水,总量最多可相当于几十到上百个现代海洋。

这一内源造水机制,为地球水起源提供了全新的解释方向。



这个新理论的基础,是近年越来越受认可的“卵石吸积”行星生长模型。

过去人们认为,岩质行星是靠星子碰撞成长,也就是千米级的岩石块反复碰撞、合并长大的,按照这个模型,行星完全成长需要几千万到几亿年。

所以等地球长到足够大、能靠引力留住大气时,太阳系原始的氢气云早就被太阳风吹散了。



但卵石吸积理论指出,行星生长的原料其实是毫米到厘米级的石质细颗粒——也就是“卵石”。

这些小颗粒会被原行星的引力快速捕获,几百万年就能让行星长到接近最终大小,这个速度刚好赶在太阳星云消散之前,因此初生的地球能捕获一层厚厚的、以氢气为主的原始大气层。



也正是这层氢气大气,成了地球造水的关键。

源源不断的卵石从太空落入大气层,下落的重力势能会不断加热大气,越往大气底部,气压越高、热量越难散出,温度也就越高。

对长到约0.7倍地球质量的原行星来说,大气底部的温度可超过2700摄氏度,气压超过200个大气压,这足以轻松融化岩石。

落入大气的卵石不会像流星一样瞬间烧完,它们在浓密的气体里减速,以每秒几米的速度缓慢下落,它们全程处在熔融状态,落到地表要花好几天的时间。

换句话说,每一颗干燥的石质卵石,都会在高温氢气里浸泡整整数天。



但干燥的岩石和氢气,怎么才能造出水呢?

我们大家都知道,水分子是由氢和氧组成,而氢气大气提供了充足的氢,岩石本身就含有大量的氧——地壳里近一半的质量都是氧,它们大多和硅、铁、镁等元素结合在一起。

其中硅、镁和氧结合得很牢固,高温氢气也很难拆开;但岩石里的氧化亚铁就不一样了,氢很容易就能夺走它里面的氧。

简单来说就是:高温下,氢气和岩石里的氧化亚铁发生反应,氢结合氧变成水蒸气,剩下的则是金属铁。



这个原理和现在的“氢冶金”几乎完全一致——初生地球的大气层,相当于一个天然的巨型氢反应炉,一边下着卵石雨,一边持续不断地生产水。

不过这个反应不会无限持续:当大气里的水蒸气浓度达到平衡值后,反应就会暂停;只有当水被不断移除,要么溶解进地表的岩浆海洋,要么通过大气逃逸散入太空,反应才能继续进行,原始大气属于开放系统,刚好满足这个条件。

为了验证这个过程到底能不能发生、速度有多快,美国新墨西哥大学的研究团队在实验室里还原了这套环境。

他们选用和原始卵石成分接近的玄武岩作为实验材料,先在惰性氦气中加热,彻底烘干岩石本身含有的微量水分,排除干扰,随后向高温样品中通入氢气,模拟卵石在大气里的遭遇。

实验结果远超预期:在1300℃的条件下,仅需3小时,岩石里就有高达80%的氧化亚铁被还原成金属铁,同时生成大量水;就算温度降到1200℃,3小时也能完成约20%的还原。



而真实环境里,卵石在熔融状态下的下落时间长达9天,是实验最长时间的70多倍,所以反应会更充分。

那么整个地球形成过程中,能靠这个方式造出多少水?

研究团队根据今天原始地幔里残留的氧化亚铁比例反推:受卵石成分、还原效率等因素影响,生成的总水量从几十个到几百个现代海洋不等。

当然这些水不会全部留在地球上:一部分溶进了地表的熔岩海洋里,一部分随着大气逃逸到了太空,剩下的最终凝结成了原始海洋。

哪怕只留下很小一部分,也足够填满今天的地球大洋。



需要明确的是,该机制是地球水的重要内源,但并不否定后期彗星、小行星撞击带来的外源水,只是内源产出的水量已经足够支撑地球海洋的形成,无需完全依赖外部输送。

这个机制的意义还不止于地球。

只要是靠卵石吸积长大、质量足够大的类地行星,它们都能通过这种方式自己生成水,这意味着宇宙里有水的行星,可能比我们以前预想的多得多,不需要冰质天体精准撞击,只要行星以合适的方式生长,就能自己拥有孕育生命的水源。



这个结论目前已经得到了实验室证据和成分比对的支持,但仍需要更多观测和模拟来进一步验证。

不过它至少打开了一扇新的窗口:行星的水不一定非要靠宇宙快递,行星自身的生长过程同样可以孕育水源,而宇宙中像地球这样的水世界,或许远比我们想象的更加普遍。

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