站在海邊，看著海浪從地平線上滾滾而來——人們很容易將海洋視為永恆之物。我們的遠古祖先肯定也是這麼認為的。在眾多的創世神話中，在陸地甚至光出現之前，就存在著一片汪洋。今天我們意識到，地球的全球海洋並非一直存在。它的水——以及每一滴雨水、每一陣潮溼的空氣和每一口杯中的水——都是來自億萬年前的記憶，那時海洋真的從天而降。
我們太陽系中的所有水都可以追溯到巨大的原始氣體和塵埃雲，該雲坍縮形成了太陽和行星，時間超過四十五億年前。雲層富含氫和氧，這是構成水（H2O）的兩種原子成分。這種富集並不令人驚訝，因為氫和氧也是宇宙中第一和第三豐富的元素（化學惰性的氦是第二豐富的）。大部分氣體被太陽和氣體巨行星吸收，它們比類地行星形成得更早。剩餘的大部分氧與碳和鎂等其他原子結合，但剩餘的氫和氧足以產生比我們太陽系中岩石多幾倍的水。
然而，這並不是我們所看到的。地球及其鄰居水星、金星和火星是岩石行星，而不是水世界。它們相對缺水是它們出生地點和方式的產物。當將成為我們太陽系的雲層坍縮時，它的角動量將物質壓平成一個旋轉的圓盤，所有行星都在其中形成。類地行星的形成被認為是一個漸進的、循序漸進的過程，圓盤中較小的物體碰撞並粘在一起，形成更大的物體：微小的顆粒變成卵石，卵石變成巨石，巨石變成公里級的行星構建塊，稱為星子。許多行星形成後剩餘的星子後來變成了我們今天所知的小行星和彗星。
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，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。
在靠近太陽的圓盤內部區域，氣體的強烈摩擦加熱和更多的陽光可能蒸發了氫和其他輕元素，只留下相對乾燥的物質來形成行星。當乾燥的岩石天體在太陽附近快速生長時，在更遠的地方，大約在現在的 asteroid 帶和木星附近，圓盤中的溫度足夠低，允許水和其他揮發物形成冰。天文學家將這個過渡點稱為“雪線”，傳統觀點認為，地球的大部分水來自雪線之外，來自冰冷的小行星和彗星的陣雨，這些小行星和彗星可能是在行星形成的最後階段被外行星拋射到太陽系內部的。
最近，來自其他正在形成行星的恆星的觀測結果進一步證明了雪線和晚期星子碰撞的存在。展望浩瀚的星際空間深處，我們可以看到與我們太陽系中發生的相同的原始過程在遙遠的地方展開，就在我們的望遠鏡眼前。即便如此，關於我們海洋形成的宏偉故事的許多方面仍然神秘莫測，並且是正在進行的深入研究的主題。正如地球海洋可能看起來永恆而難以捉摸一樣，新的證據正在使我們更接近於準確回答它們是如何以及何時形成的，以及將所有水帶到我們曾經乾燥的星球上的主要機制是彗星、小行星還是某種完全不同的傳遞機制。
比骨頭還乾燥的海洋星球
從太空看，地球可能反而被稱為“海洋星球”。水覆蓋了地球表面三分之二以上的面積，並且佔了典型地球人質量的三分之二以上。海洋的平均深度為四公里，其儲水量足以填滿一個直徑超過 1,300 公里的球體。然而，許多人驚訝地得知，所有這些海水僅佔地球質量的約 0.02%。換句話說，如果我們的星球是一架 300,000 公斤的波音 777，那麼海洋中所有水的質量將相當於一名乘客的質量。鎖定在極地冰蓋、雲層、河流、湖泊、土壤和地球生物群中的淡水僅佔總量的極小一部分。
更多的水可能潛伏在我們腳下深處，在地球的岩石地幔中，地幔從地殼向下延伸 3,000 多公里，一直到液態鐵核的尖端。那裡的水不是液態形式。相反，它被束縛在“水合”岩石和礦物的分子結構中，這些岩石和礦物已被構造過程拖到地殼之下。一些被岩石鎖住的水分可以透過火山從地幔逸回到地表，但更大部分被埋藏起來。更深處是地球沉重的鎳鐵核。核心重量約佔地球質量的 30%，它可能比地幔含有更多的水，以氫的形式存在，否則氫會與巨大熱量和壓力之外的氧結合。
沒有人知道我們的星球內部蘊藏著多少水。這種不確定性源於缺乏直接樣本，以及對水如何有效地輸送到地表和從地表輸送走了解不足。一個合理的猜測是，僅地幔就至少包含另一個海洋的水量，有效地使地球的總水儲量翻倍。即便如此，將這些水新增到地表海洋中也僅佔地球質量的 0.04%，相當於一架滿載 777 上的兩名乘客。實際上，地球比舊骨頭乾燥約 100 倍，舊骨頭僅含有極少量的水，這似乎很奇怪。儘管如此，我們確實擁有的水是如何來到這裡的這個問題仍然需要一個答案。
彗星還是小行星？
由於人們普遍認為早期地球甚至比今天的地球還要乾燥，因此研究世界水起源的研究人員將重點放在地球形成的相對後期階段，即月球形成之後。
新形成的地球，就像太陽系的其他類地行星一樣，在其誕生後至少數千萬年的時間裡，表面肯定至少部分熔化。這種熔化是由於山脈大小的星子群落撞擊地球而向地球注入的巨大能量造成的。儘管有地球化學證據表明地球的岩漿海洋中含有一些水，但熱熔岩不太擅長 удерживать 水，因此來自原始地球和星子的大部分水分會以電離氣體和蒸汽的形式釋放出來。其中一些物質丟失到太空，但其中一些也可能落回地球，再次被鎖定在岩石中，然後被淹沒到地幔深處。
後來，其他巨大的撞擊會進一步改變地表和地表附近的水儲量。特別是，地球似乎在約 45 億年前與一個火星大小的天體相撞，噴射出一團物質，這些物質冷卻並聚結成月球。這種全球規模撞擊的能量會掃蕩大部分大氣層，瞬間煮沸任何含水海洋，併產生數百公里深的岩漿海洋。無論地球形成時是溼潤還是乾燥，形成月球的撞擊的毀滅性打擊肯定已經清除了我們星球上幾乎所有的原始水。
瞭解了所有這些，科學家們長期以來一直在尋找一種水源，這種水源可以在地球-月球系統形成和冷卻後輸送。自 1950 年代以來，人們就知道彗星富含冰，它們從太陽系外圍的兩個巨大儲層進入太陽系內部，這兩個儲層稱為柯伊伯帶（Kuiper belt）（大約從現在的冥王星軌道開始）和奧爾特雲（Oort cloud）（從柯伊伯帶之外開始，可能延伸到離我們最近的恆星的一半距離）。許多研究人員認為，彗星可能是地球海洋的主要來源。
但是，這個概念在 1980 年代和 1990 年代遇到了一些麻煩，當時研究人員首次測量了來自奧爾特雲的彗星上的氘/氫 (D/H) 比率。氘是氫的較重同位素，其原子核中有一箇中子，與普通氫相比，它的普遍性可以作為追蹤物體歷史的有用指紋。如果地球海洋是由融化的彗星組成的，那麼它的 D/H 比率應該與我們今天觀察到的彗星的比率非常接近。但奧爾特雲彗星的 D/H 比率是普通海水的兩倍。顯然，地球的大部分水一定來自其他地方。
然而，在過去的幾年中，對來自柯伊伯帶的彗星的測量顯示，D/H 比率與海洋相似，這重新激發了彗星輸送地球水的說法。但是現在，鐘擺再次遠離彗星。2014 年末，歐洲航天局的“羅塞塔”號探測器發回的調查結果表明，源自柯伊伯帶的彗星 67P/丘留莫夫-格拉西緬科的 D/H 比率是海洋的三倍多，這為地球水的其他地外來源提供了另一個數據點。這一結果，加上基於來自彗星富集區域的墜落天體的軌道動力學的論據，表明儘管偶爾的彗星撞擊肯定會向地球輸送水，但這種機制不太可能是主要來源。
小行星是顯而易見的替代方案，如今它們是地球大部分水的共識首選來源。與彗星一樣，小行星也是構成行星的小星子碎片。“主帶”小行星在火星和木星之間執行，比柯伊伯帶離地球更近，一旦移位，它們撞擊地球的機會比彗星大得多。這方面的證據不遠，就在月球上，月球表面佈滿了古代小行星撞擊形成的隕石坑。隕石——來自已到達地球表面的小行星的岩石碎片——也充滿了我們的科學博物館，有力地提醒我們，地球仍然不斷受到行星際碎片的轟擊。透過研究這些稀有的小行星碎片，我們可以一瞥它們更深層的歷史，並確定它們是否可能填滿地球的海洋。對某些隕石家族的研究已經表明，它們的 D/H 比率與海水的比率一致。
隕石，就像它們的母體小行星一樣，表現出各種成分和含水量。來自主帶內邊緣的小行星，位於大約地球-太陽距離兩倍遠的地方，產生了我們在地球上研究的許多貧水岩石隕石。另一方面，來自更遠區域的小行星，超過木星一半距離，則相對潮溼。它們傾向於產生稱為碳質球粒隕石的隕石——水合礦物和碳酸鹽的聚合物，其中水可以佔岩石質量的幾個百分比。這些岩石中水的歷史一直是我們其中一位作者（Young）的研究重點，該研究借鑑了對地球上岩石中流淌的水的觀察。碳質球粒隕石中富含水的礦物是透過岩石與液態水或氣態水之間的反應生長而成的，這些反應發生在相對較低的幾百度攝氏度的溫度下。在地球上，當水滲透多孔岩石時，就會產生這種礦物。在隕石中，它們證明了水冰融化並流過小行星岩石基質的時期。
融化所有這些水冰的熱源幾乎可以肯定是放射性鋁同位素 26Al，它在早期太陽系中大量存在。26Al 在衰變為鎂同位素 26Mg 的過程中，會在數百萬年內釋放出大量能量。在年輕太陽系寒冷的外圍區域，越過雪線，來自衰變 26Al 的熱量是一種強大但短暫的力量，塑造了富含揮發物的小行星的地質和水文。在太陽形成後的數百萬年裡，許多小行星內部的水將是液態的，維持著熱液迴圈系統，例如現在在地球中洋脊的火山噴口處發現的那些系統。隨著溫暖的鹽水滲透到小行星放射性同位素加熱的內部及其周圍的裂縫和裂縫中，水合礦物和碳酸鹽將會形成。在行星形成的最後階段，外行星的引力將物質散佈到整個年輕的太陽系中，將潮溼的小行星從雪線之外拋射下來，撞擊地球和其他類地行星。
我們在地球以及火星的化學成分中看到了這種後期物質重新分佈的證據。例如，鉑族元素是“親鐵的”，或者說是親鐵的，這意味著它們對鐵和其他金屬具有化學親和力，而不是對岩石。在新生的熔融地球上，這些元素應該與形成地球核心的稠密、下沉的鐵和鎳羽流一起被拖入地核。相反，令人驚訝的是，今天在地幔甚至地殼中都存在相當可觀的親鐵元素濃度，其含量與球粒隕石狀物質在我們的星球冷卻到足以完全形成地核後貢獻約佔地球質量的 1% 的量一致。這種“後期外殼”撞擊物解釋了我們為何有足夠的鉑來製作結婚戒指和汽車催化轉化器。它也可以解釋我們為何有足夠的水來填滿地球的海洋。極有可能的是，所有內部類地行星，而不僅僅是地球和火星，都在行星形成的最後階段受到了來自小行星帶的這種物質脈衝的衝擊。
然而，在小行星輸送地球大部分水的這個整潔的圖景中，似乎存在一個關鍵缺陷。當研究人員觀察氣態元素（例如氙和氬）時，這個問題變得顯而易見，這些氣態元素被稱為惰性氣體，因為它們非常惰性，幾乎不與任何化合物發生化學反應。這種惰性使惰性氣體能夠充當各種物理過程的示蹤劑，相對不受令人困惑的化學效應的影響。如果類地行星和小行星密切相關，那麼它們應該具有大部分惰性氣體相似的比例。但是，研究隕石和墜落到地球上的行星物質中氙與氬比率的研究人員發現，相對於隕石，地球和火星的這些惰性氣體都已耗盡。
近年來，人們提出了許多可能的答案來解決這個氙缺失問題，包括一些可能將天平重新傾向於彗星作為水和其他揮發物的實際輸送者。截至撰寫本文時，研究人員正熱切等待著來自“羅塞塔”號探測器對 67P/丘留莫夫-格拉西緬科的探測而得出的彗星惰性氣體的首次測量結果。此類測量結果可能最終幫助我們得出地球海洋起源的明確答案，但如果過去的趨勢有任何指示意義，那麼它們可能反而只會提出更多難題，使這場辯論再持續數十年。
虛假的二分法？
在區分小行星和彗星作為地球海洋的來源的探索中，似乎沒有簡單的解決方案。問題可能不在於自然界，而在於我們向自然界提出的問題。小行星和彗星之間的二分法可能不像以前認為的那麼鮮明。我們其中一位作者（Jewitt）與臺灣中央研究院天文及天體物理研究所的謝亨利（Henry Hsieh）最近發現了主帶彗星，這些天體在小行星帶中執行，但像普通彗星一樣，在每個軌道上週期性地噴射出塵埃。儘管這些天體在陽光照射、揮發物耗盡的雪線內執行，但出乎意料地保留了冰。此外，正如我們已經表明的那樣，真正的問題可以說不是為什麼地球有這麼多水，而是為什麼地球的水這麼少。地球相對少量的水可以透過多種途徑輸送，而這些途徑又與其行星的確切歷史、撞擊物及其最初的形成條件密切相關。所有這些模糊性為其他更奇特的水輸送情景留下了充足的空間，儘管這些情景可能不太可能，但目前還不能明確排除。
例如，從理論上講，地球的大部分水可能幾乎從行星誕生之初就已存在於此。新的研究表明，來自太陽風的氫離子可能會積聚起來，在行星際塵埃顆粒的無定形邊緣形成水合礦物，然後可以將這種含水物質輸送到行星和行星構建塊的早期形成階段。即便如此，也很難想象這種早期儲層如何能夠持續存在於地幔深處，僅僅是在定義行星形成末期的大規模地表沖刷撞擊之後才滲出。
比大多數彗星和小行星更大的天體也引起了近期的關注。以矮行星穀神星為例，它的寬度為 900 公里，是我們太陽系中最大的小行星。人們認為穀神星的質量高達一半是水。2014 年初，研究人員目睹了似乎有蒸汽以每小時約 20,000 公斤的速度從這顆矮行星中噴出，這為穀神星富含水提供了關鍵證據。地球的質量約為穀神星的 6,000 倍。如果像許多人懷疑的那樣，穀神星質量的一半是水，那麼地球的總水儲量（包括地下和地表）僅相當於約五個穀神星型別天體中含有的水。
在早期混亂的太陽系中，此類天體比今天常見得多，而且不難想象有幾個穀神星型別的天體進入了太陽系內部併到達地球。只需少數幾個這樣的天體就足以給我們的星球帶來海洋的禮物，而無需大量更小的小行星或彗星的陣雨。美國宇航局的“黎明”號任務將於本月與穀神星交會，為我們提供一個近距離觀察其冰和噴氣的全新視角，並且無疑會帶來與我們星球內外水歷史相關的全新驚喜。