|
m; a$ V# T2 }! P 2 w# A d! W7 A6 f
水使地球成为现在的地球——一个以蓝色海洋而闻名的星球。水通过侵蚀塑造土地，是地球维持生命能力的基础。但我们很难理解地球是如何最终拥有所有这些水的，因为创造它的基石很可能是干的，而将这些基石变成行星的碰撞应该会将所有地表水驱赶到太空中. ! n& K& T; |# A' r. t
已经提出了各种方法来在地球形成后将水输送到地球。但是一项新的研究采用了我们从检查系外行星中获得的信息并将其应用于地球。结果表明，在地球形成期间发生的化学反应会产生足够的水来填充世界海洋。而且，作为一个附带的好处，该模型解释了地核有些奇怪的密度。 * ], Q5 U& C& t7 K
防水的地球 1 Z# P: J# r* I; ?% b2 h) ]0 _
地球似乎主要是由太阳系内部的材料构成的。不仅这些材料在正确的地方，而且在该地区的小行星中发现的现有材料在元素和同位素组成方面也提供了很好的匹配。但是这些材料也很干燥。这并不奇怪；这个区域的温度会阻止水凝结成固体，因为它可以在太阳系中进一步向外延伸，超过一个被称为水的“冰线”的点。
+ B8 ]3 S8 k# ?( h# ] 任何存在的水都可能流失到太空中，因为行星的形成过程被认为是通过小天体之间的碰撞发生的，随着小天体不断撞击大天体，大天体逐渐长大。这些物体中的大部分水会被蒸发并可能流失到太空中。
- n" G1 H- u2 a4 {' t, Q" b 但是三位研究人员（Edward Young、Anat Shahar 和 Hilke Schlichting）专注于太阳系形成过程中可能存在的其他因素：氢。氢被认为在行星形成的早期大量存在，但随后被中心恒星点燃时释放的辐射驱散。在我们的太阳系中，其中一些在丢失之前被外行星捕获。但是我们的内行星似乎在形成时几乎没有这种元素，或者在它们的历史早期就失去了这种元素。 ! l+ p! V+ C2 J) W t1 }1 p7 F: u
但观察系外行星表明，这并非不可避免的命运。我们发现了许多岩石超级地球，它们似乎也缺乏富含氢气的大气层。但是在大约两倍于地球半径的地方有一个空隙，在那里我们看到了许多迷你海王星，它们似乎保留了厚厚的、可能富含氢气的大气层。这导致了所有岩石行星都在富含氢的环境中开始并由此形成第一个大气层的提议。然而，在一定尺寸以下，氢会在它们的历史后期消失。在这些行星上发现的任何大气层都可能是由于二次形成。
5 z/ q) K4 Q. T1 \, c I2 d 以此得出合乎逻辑的结论，那么地球可能也是从富含氢气的大气层开始的。因此，参与这项新研究的研究人员决定研究这种情况可能产生的后果。
5 N- W1 x: L3 k+ j2 F4 X1 d 行星尺度的化学 3 x" o3 o- I6 p! S- L) j' g. Z+ C
为了探索这个想法，研究人员基本上模拟了一个巨大的化学反应器，里面装满了早期地球的大部分成分，并按比例放大到一个大型地球前体的大小（当今地球大小的一半）。这包括铁和钠的氧化物、各种硅酸盐、二氧化碳、甲烷、氧气等。这一切都被置于富含氢气的大气层中，并被加热以反映行星形成时频繁碰撞所产生的岩浆海洋。 . ~+ S. u9 n8 n% t
这一时期可能持续了数千万年，部分原因是氢大气往往能很好地保持热量（它可以充当温室气体）。这为发生的化学反应——研究人员跟踪了其中的 18 个——提供了达到平衡的时间，并为行星内部的不同物质提供了足够的时间根据密度进行分配。
O) M8 y# [ s7 |4 g/ z- j 发生的事情之一是，几种元素被并入核心的铁中，包括氧、硅和氢。由于所有这些元素的密度都低于铁，因此这具有使地核密度低于纯铁的效果——这对于实际地球来说是真实的。
7 s4 w/ O. R e- y" |. Z# a 在一些反应中，氢的结合涉及氧气的置换，这些反应的副产物是水。在这里探索的条件下，反应产生的体积与当前地球海洋中存在的体积大致相同。“即使太阳系内部的岩石完全干燥，”研究人员写道，“H 2大气和岩浆海洋之间的反应也会产生大量的 H 2 O。其他 H 2 O 来源也是可能的，但不是必需的。 “
0 t$ q4 f8 q8 d" y 建模的局限性
( ^7 `2 F) a' R 从好的方面来说，模拟适用于很宽的温度范围——它所需要的只是足够的热量来保持地球处于熔融状态，同时这里描述的过程达到平衡。它也适用于各种大小的前体，但如果前体太小就会失败。这与火星和水星的极度干燥是一致的。主要变量最终是最终生产了多少水；如果更多的氢最终进入核心，那么很容易创造一个体积是今天海洋三倍的水世界。
- a5 R; j: F+ P* j2 C& ? 虽然该模型对初始条件的许多变化都很稳健，但它的局限性在于它不是早期地球化学的完整图景。值得注意的是缺少硫和氮，它们在地球化学中发挥了重要作用。
8 ]7 f4 h* Z) E9 i3 E3 z 但模型中的最大差距是水形成后会发生什么。鉴于岩浆海洋的存在，它最终会进入大气层，如果太阳系的氢已经消散，它可能会被太阳辐射分裂并消失。对于后来加热地球的任何撞击，例如形成月球的巨大碰撞，情况也是如此。如果周围仍然有足够的氢气，这就不是问题，因为水可以重整。研究人员引用的研究表明，即使在大规模碰撞中，富含水的大气层也能幸存下来。最后，你可以想象最初水量过剩的情况，但在这些过程中损失了足够多的水，使地球处于目前的状态。 ( }, S3 H; I% }# Y! v+ i* ]
因此，虽然水的生产不需要对条件进行任何微调，但保留它可能需要。
" q! a8 r4 E/ ^7 k+ E 但对我们以外的世界的影响似乎更大一些。这些结果表明，在岩石行星的形成过程中，大范围的初始条件应该会产生水。因此，当我们考虑太阳系外的行星时，问题可能是想知道它们是否经历过会导致它们失去水分的条件，而不是它们是否一开始就有水分。
* Z# _ J7 n5 y$ F4 F: J2 D `! \
) s4 j0 N' V0 }7 b* L, v- ^' p1 {# M- @; m3 l5 P
| 
