科學人 發行日期:2015/06 刊號:159
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地球之水 天外來

撰文/傑維特(David Jewitt)、楊恩(Edward D. Young) 翻譯/李沃龍

 地球表面至少有2/3是水,我們曾經認為彗星是水的主要來源,但新證據重啟了這項爭論,答案究竟是彗星、小行星或其他天體?


重點提要
■行星形成時期,年輕太陽所散發的強烈光與熱,使水蒸散到外太陽系,導致內太陽系成為相對乾燥的環境。
■在行星形成後期,大量的小行星與彗星可能造訪地球而帶來水,但目前的觀測數據也為其他理論留下發展空間。
■地球海洋的起源可能會成為長期懸案,除非我們開始對太陽系的其他區域進行詳細探索。
■關於地球之水的起源,我們可能永遠都找不到一個詳盡的答案。


當人們站在海邊望著從海平面翻騰而來的浪潮時,很容易陷入海洋是亙古永恆的遐想中。我們的祖先確實也這麼認為,在許多創世神話裡,海水總是在陸地、甚至光明浮現之前就已存在。我們現在知道地球的海洋並非亙古永恆,我們行星的水(包括每一滴雨、每一陣潮濕的狂風,和你每一口從杯中啜飲的水)可說是萬古之前的記憶,因為海水確實從天而降。

遠在45億年前,一團巨大的太初氣體塵埃雲塌縮而形成太陽與行星,太陽系裡所有的水都可追溯至此。那團雲富含氫和氧,而這兩種原子構成了水(H2O)。由於氫和氧是宇宙裡數量第一與第三的元素(氦這種惰性氣體佔第二),因此這樣的氣體塵埃雲組成並不令人意外。太陽與氣態巨行星會吸附大部份的氣體,比固態行星更早形成。在太陽系裡,多數的氧會和碳、鎂等其他原子結合,但剩餘的氫與氧便已足夠形成比岩石多出好幾倍的水。

不過這並不是我們所看到的情況。地球與鄰近的水星、金星和火星都是固態行星,而非水世界,它們誕生的地點與時間是造成相對缺水的原因。當氣體塵埃雲即將塌縮成太陽系時,角動量會使物質形成一塊扁平的吸積盤,所有的行星便在此形成。科學家認為固態行星是逐步累積而形成的,原行星盤中較小的天體相互碰撞,並聚集成較大的天體:從微小顆粒變成礫石,再變成大石塊,最後變成幾公里大小、稱為微行星的行星構件。行星形成後、殘餘的許多微行星,便成為現今我們所看到的小行星與彗星。

在原行星盤裡,太陽附近的內側區域,氣體的強烈摩擦熱以及較多的陽光產生了高溫,可能把氫和其他輕元素向外驅除,而留下相對高熔點的物質來構築行星。當太陽附近的固態天體迅速成長之際,就在現今小行星帶與木星附近的區域,原行星盤的溫度低到足以使水和其他揮發性物質凝結成冰。天文學家稱此過渡地帶為「雪線」(snow line),而一般認為地球之水便來自雪線之外的區域:在行星形成晚期,氣態巨行星把大量的冰凍小行星及彗星擲入內太陽系,因而帶來了水。

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