關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。 透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續釋出關於塑造當今世界的發現和思想的有影響力的報道。
對在美國西南部地質構造中採集的地球地幔氣體進行的精確分析表明，該氣體的來源更類似於碳質隕石，而不是太陽。 如果得到進一步研究的證實，這項新研究將挑戰一個關於大氣層形成的理論模型 該模型認為地球最初有兩個太陽氣體庫，在地球形成和早期階段捕獲——一個環繞地球，另一個埋藏在地表之下。
格雷格·荷蘭德，英國曼徹斯特大學同位素地球化學博士後研究員，及其同事在新墨西哥州的布拉沃穹頂氣田測量了各種惰性氣體同位素的含量，那裡的岩漿氣體（主要是二氧化碳）使得可以對地幔進行取樣，並埋藏在地下數百米處。（同位素是同種元素的變體，但中子數不同，因此原子質量也不同。）惰性氣體（或稱稀有氣體），如氖、氬、氪和氙的丰度和同位素比率，為古代過程提供了有價值的示蹤劑，因為它們化學性質不活潑，因此隨著時間的推移變化不大。在12月11日出版的科學雜誌上，荷蘭德的研究小組概述了他們的發現，以及這些發現如何可能排除一些關於地球在約45億年前聚結形成時大氣層形成方式的理論。
地球原始大氣層成分有許多可能的來源，從所謂的太陽星雲（太陽形成後殘留的塵埃和氣體雲），到可能在地球形成期間或之後向地球輸送大量化學物質的彗星和其他撞擊物。 同樣，行星失去大氣層的方式也有很多種，例如被太陽風剝離、被太陽輻射烘烤，或者被彗星或小行星災難性撞擊。
透過將地球目前的大氣層與太陽氣體的成分進行比較，之前的研究人員已經開發出一個模型，根據該模型，一對不同的太陽獲取氣體庫將演變成今天的大氣層。 “如果你看看今天的大氣層，你會發現它的成分絕對是非太陽的，” 羅伯特·佩平，明尼蘇達大學物理學榮譽退休教授，他沒有參與這項新研究。“診斷性的線索是，氖、氬、氪、氙、氮等所有元素的同位素比率，看起來都經歷了一個逃逸過程，其中最輕的同位素相對於較重的同位素優先逃逸”——這個過程稱為分餾。 換句話說，大氣層中的惰性氣體同位素比太陽中的重。
對湍流過程進行建模——例如，巨型撞擊和極端紫外線輻射——可能驅動氙分餾，這導致了佩平所說的“氪問題”。 同樣的可能將太陽氙樣本轉變為現代大氣氙樣本的分餾過程，與地球目前大氣層中發現的氪相比，會在輕氪同位素中留下虧損。 但佩平和他的同事們意識到，如果還有另一種太陽氣體來源可用——例如，從地球早期就困在地幔中的太陽氣體——那麼當它釋放到大氣層中時，它可以使元素重新回到平衡狀態。 “碰巧的是，如果你引入一個太陽成分並將其與分餾的氪混合，你就會得到目前的大氣成分，”佩平解釋說。
荷蘭德原則上同意這個理論，但他的資料未能支援它。 荷蘭德和他的合作者指出，太陽形成後殘留的氣體可能持續到行星前身時代，因此在行星內部和周圍雙重捕獲太陽氣體是完全有可能的。 “說它在地幔內部也許是一個自然的假設，”荷蘭德說。 但布拉沃穹頂氣田內部的痕量惰性氣體並沒有反映出太陽起源。 “我們在地幔中沒有看到任何太陽惰性氣體，”他說。
氪有幾種穩定的同位素，其相對丰度可用於解析氣體的來源。 太陽來源的氪同位素較輕——它具有相對較低的重同位素氪84和氪86與較輕的氪82的比率。 今天大氣層中的氪比太陽氪略重，而碳質球粒隕石中嵌入的氪甚至更重。
在荷蘭德及其同事採集的地幔氣體樣本中，氪的測量結果偏重，產生了“一些看起來很像今天困在原始球粒隕石中的氣體的東西”，佩平說。 這意味著地幔中的氣體並非來自太陽，而是來自早期岩石物質的吸積。 荷蘭德說，有了這樣的地幔氣體組成，“你不能透過內部釋放氣體來形成大氣層——大氣層必須來自其他地方。” 作者提出的一個可能性是，冰彗星在地球形成後轟擊地球，並將它們自己獨特的化合物和氣體混合物輸送到一個從太陽來源演化而來的現有大氣層。
佩平說，這項新工作挑戰了他自己的理論，但稱其為“一個絕妙的想法，並有資料支援”。 但他指出，他關於行星獲取然後釋放太陽物質的模型尚未過時。 他說，首先，荷蘭德和他的同事需要對其他來源進行取樣，以確定他們的結果是地幔的典型特徵，還是僅僅是新墨西哥州地點的怪異之處。 此外，佩平指出，曾經嵌入地球地幔中的太陽氣體可能早已耗盡。 “他們假設，既然他們今天在這個儲層中沒有看到太陽型氪，那麼它就從來沒有存在過，”佩平說。“地球在其早期歷史上是如此活躍，以至於它可能曾經存在過，並且已經脫氣到你再也看不到它的程度。”
荷蘭德承認新資料集的侷限性：“這些樣本僅來自美國西南部的一個特定區域。” 但他補充說，測試其他地幔來源是“我們下一步的工作”。