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地球上的水是从哪里来的？

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3年前
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与太阳系其他岩质行星相比，地球是一颗水资源异常丰富的星球。海洋覆盖了约70%的星球表面。

这也带来了一个长期困扰着科学家的问题，地球上这么多水究竟从何而来？

近日，一组国际研究团队带来了新答案。他们发现，来自太阳的带电粒子流，也就是太阳风，在带有尘埃颗粒的小行星表面改变了颗粒的化学组成，并创造出了水。这些小行星的碎片在太阳系形成的早期阶段落向地球，地球上或许有一半的水来源于此。

这不仅回答了一个长期困扰我们的问题，同时也有望帮助未来的太空任务在没有空气的星球上找到水源。研究已于近日发表在《自然·天文学》上。

行星科学家几十年来一直对地球上水的来源感到困惑。一种现有的理论认为，被称为C型小行星的天体可能在46亿年前地球形成的最后阶段将水带到了地球。

为了检验这一理论，科学家曾分析过大量C型小行星的同位素 “指纹”。这些小行星以富含水的碳粒陨星的状态来到了地球。简单来说，如果这类陨石水中的氢和氘的比例与地球上的水相匹配，那么科学家就可以得出结论，C型陨石可能是水的来源。

然而，分析结果并没有那么明确。虽然一些富含水的陨石的氘/氢指纹确实与地球上的水相匹配，但还有许多并不是。平均而言，这些陨石的同位素指纹与在地球地幔和海洋中发现的水并不一致。相反，地球具有一种不同的、略轻一些的同位素指纹。

换句话说，虽然地球上的一些水一定来自C型陨石，但形成中的地球还得从至少一种具有较轻的同位素来源得到水，而这种来源应该来自太阳系的其他地方。

在新研究中，科学家团队使用了一种被称为原子探针层析技术的尖端分析方法，仔细检查了来自一种不同类型的太空岩石的样本。

这类岩石来自S型小行星，它们的轨道比C型小行星更靠近太阳。被用于分析的样本来自一颗被命名为丝川的小行星，也就是小行星25143，它以18个月的周期围绕太阳运行，为了纪念日本火箭科学之父丝川英夫而得名。

丝川小行星。| 图片来源：NASA/JPL

早先，日本空间探测器“隼鸟号”对其进行了样本采集，并于2010年将样本送回了地球。2017年，团队幸运地从样本中收集到了三个极罕见的矿物颗粒，每个大约只有头发丝那么宽。

原子探针层析技术让研究团队能以单个原子的精度测量颗粒的原子结构，了解尘埃颗粒表面之下50纳米左右的内部，并探测单个水分子。他们发现，大量的水是在丝川的尘埃大小的颗粒的表面下通过太空风化作用产生的。太空风化是一个组合的过程，比如有害的银河系宇宙射线、微陨击、太阳辐射和太阳风，它会影响所有暴露在太空中的表面。

早期的太阳系是一个充斥着尘埃的地方，在行星吸积开始之前，整个太阳星云中丰富的尘埃不可避免地受到辐照，为在太空尘埃颗粒的表面下产生水提供了大量机会。

太阳风是一种主要由氢离子和氦离子组成的粒子流，从太阳源源不断地流向太空。当这些氢离子碰到像小行星或太空尘埃颗粒这样的没有空气存在的表面时，就会渗透到表面以下几十纳米的地方，在那里影响着岩石的化学成分。

随着时间的推移，氢离子的太空风化效应可以从岩石的材料中释放出足够的氧原子，从而产生水，这些水就会被困在小行星的矿物中。这种富含水的尘埃会与C型小行星一起落到早期地球，成为地球海洋的一部分。

太阳风（图中+号表示）能在小行星表面通过太空风化作用创造出水。|图片来源：University of Glasgow

研究确认，这块经过太空风化的边缘碎片含有足量的水，如果按比例放大，每立方米的岩石的含水量将达到约20升。

最重要的是，这种由早期太阳系产生的太阳风衍生出的水是同位素较轻的。这有力地说明，遭受太阳风冲击并在数十亿年前被卷入形成中的地球的细粒尘埃，可能就是我们一直错过的那种地球水的来源。

科学家表示，这项研究建立在不断累积的证据之上，同时借助了最尖端的技术，为我们带来了新的线索和答案：太阳风与富氧的尘埃颗粒的相互作用确实产生了水。

这个结果不仅可以让我们更好地了解早期太阳系，以及地球及其海洋是如何形成的。对太空风化的表面可能包含多少水的估计还表明，未来的太空探索者或许有机会在最看似干旱的星球上制造水的供应。