从时间上讲,地球产生了已经有大约46亿年

地球水的起源一直是个永恒的谜。有不同的假设和理论解释了水是如何来到这里的,并且有大量的证据支持它们。

但是水在原行星盘中无处不在,水的起源也许并不那么神秘。

一项新的研究表明,地球上的水已经有45亿年的历史了!

#头条创作挑战赛#​图一介绍:恒星在分子云中形成,大部分是氢的巨大聚集体。这是欧空局赫歇尔和普朗克空间天文台拍摄的南冕座分子云的合成图像。

《元素》杂志上的一篇研究文章显示,其他年轻的太阳系有丰富的水。在像我们这样的太阳系中,随着年轻恒星的成长和行星的形成,水也随之而来。证据就是地球的重水含量,它表明我们星球的水有45亿年的历史。

这篇文章的题目是“我们饮用了45亿年前的好水”,作者是塞西莉亚,切卡雷利和杜。切卡雷利是格勒诺布尔行星科学和天体物理研究所的意大利天文学家。杜福军是中国南京紫金山天文台的天文学家。

太阳系的形成始于一个巨大的分子云。云主要是氢气,水的主要成分。其次是氦、氧和碳,按丰度顺序排列。云中还含有微小的硅酸盐尘埃和碳质尘埃。这篇研究文章带我们回顾了太阳系中水的历史,这就是它的起点。

一项新的研究表明,地球上的水已经有45亿年的历史了!

图二介绍:研究中的这张图显示了水是如何在微小的尘埃颗粒上形成的。至关重要的是,有些水是重水(HDO)水冰在单个的尘埃颗粒周围形成了一个冰冻的地幔。

在这个分子云的寒冷区域,当氧气遇到尘埃颗粒时,它会结冰并附着在表面。但是水不是水,除非氢和氧结合,云中较轻的氢分子在冰冻的尘埃颗粒上跳跃,直到遇到氧。当这种情况发生时,它们发生反应并形成水冰ーー两种类型的水: 普通水和含有氘的重水。

氘是一种叫做重氢(HDO)的氢的同位素它的原子核中有一个质子和一个中子。这就把它和普通的氢分开了,普通的氢被称为质子。普罗提有质子,但没有中子。这两种氢同位素都是稳定的,并且一直持续到今天,它们都可以与氧结合形成水。

当水冰在尘埃颗粒上形成一个地幔时,作者称之为冷相,这是他们在文章中概述的过程的第一步。

当物质聚集在云的中心时,引力开始在云中发挥作用。更多的质量落入分子云的中心并开始形成原恒星。一些重力被转化为热量,在云中心的几个天文单位(AU)内,盘中的气体和尘埃达到100开尔文。

10万公里是地球上极度寒冷的,只有 -173摄氏度。但用化学术语来说,这足以引发升华,冰变成水蒸气。升华发生在一个热的科里诺区域,一个围绕云中心的温暖包层。虽然它们也包含复杂的有机分子,水成为最丰富的分子在科里诺。

一项新的研究表明,地球上的水已经有45亿年的历史了!

图三介绍:第二步,原恒星还没有开始聚变。但是它仍然产生足够的热量,使尘埃颗粒上的水冰升华为水蒸气。

水在这一点上是丰富的,虽然它全是水蒸气。”… … 一个典型的热科里诺山包含的水量是地球海洋的10000倍,”。

这是作者概述的过程中的第二步,他们称之为原恒星阶段。

接下来,恒星开始旋转,周围的气体和尘埃形成一个扁平的旋转圆盘,称为原行星盘。所有最终将成为太阳系行星和其他特征的东西都在这个圆盘里。

这颗年轻的原恒星仍在聚集质量,它在主序上的融合生命仍然很长。这颗年轻的恒星从其表面的冲击中产生一些热量,但不是很多。所以圆盘是冷的,离年轻的原恒星最远的区域是最冷的。接下来发生的事情至关重要。

在第一步形成的水冰在第二步被释放成气体,但在原行星盘最冷的地方再次凝结。同样数量的尘埃颗粒再次被冰冷的地幔所覆盖。但是现在,那个冰冷的地幔中的水分子包含了太阳系中水的历史。“因此,尘埃颗粒是水遗传的守护者”。

一项新的研究表明,地球上的水已经有45亿年的历史了!

图四介绍:随着原恒星继续聚集质量,它开始旋转。气体和尘埃形成一个以恒星为中心的旋转圆盘。第二步产生的水蒸气再次凝结,尘埃颗粒再次被冰冷的地幔所覆盖。但是这一次,水冰保留了它所经历的记录。

这是第三步。

在第四步中,太阳系开始成形,类似于一个更完整的系统。所有我们习以为常的东西,比如行星、小行星和彗星,开始形成并沿着它们的轨道运行。它们是从哪里来的呢?那些微小的尘埃颗粒和它们两次冻结的水分子。

这就是我们今天的处境。虽然天文学家不能回到过去,但他们在观察其他年轻的太阳系和寻找整个过程的线索方面做得越来越好。地球上的水也包含一个关键的暗示: 重水与普通水的比例。

到目前为止给出的简单解释中遗漏了一些细节。当水冰在第一步形成时,温度极低。这就引发了一种不寻常的现象,叫做超氘化。与其他温度相比,超氘化在水冰中引入了更多的氘。

氘是在宇宙大爆炸后的几秒钟内形成的。形成的不多: 每100,000个氚原子只有一个氘。这意味着,如果氘与太阳系的水混合均匀,那么重水的丰度将表示为10-5。但接下来还有更复杂的问题。

一项新的研究表明,地球上的水已经有45亿年的历史了!

图五介绍:热科里诺比其他地区有更多的重水。这幅图像显示了一对热的科里诺环绕着一个名为 IRAS 4A 的年轻双星系统。

在一个炎热的科里诺,丰富的变化。作者解释说: “然而,在炽热的科里诺天体中,HDO/H2O 的比例仅略低于1/100。”。(HDO 是含有两个氘同位素的水分子,而 H2O 是含有两个氚同位素的普通水。)

还有更多的极端情况。原作者解释说: “为了使事情更极端,双氘水的 D2O 相对于 H2O 是1/1000,即大约107倍于从 D/H 元素丰度比率估计。”

由于超氘化作用,这些比例含有如此大量的氘。在尘埃颗粒表面形成冰的那一刻 D 原子的数量比 H 原子落在颗粒表面的数量要多。深入的化学解释超出了本文的范围,但结论是明确的。无论是在炎热的科里诺,还是在一般情况下,都没有其他方法可以获得如此大量的重水。”。因此,在 STEP 1时代,大量的重水是冷分子云团中水合成的标志

到目前为止,重要的事情是有两个水合成事件。第一种情况发生在太阳系尚未形成,只是一片冷云的时候。第二个是行星形成的时候。这两种情况发生在不同的条件下,这些条件在水中留下了同位素的印记。第一次合成的水有45亿年历史问题变成了“有多少远古的水到达了地球?”

为了找到答案,作者观察了他们唯一能观察到的两件事: 总体水量和氘化水量。正如原作者所说,“ … … 也就是,重水与正常水的比率,HDO/H2O。”

一项新的研究表明,地球上的水已经有45亿年的历史了!

图六介绍:研究中的这个图表显示了水氘化,由显示 HDO/H2O 比率的红色符号表示,从热科里诺阶段,到彗星,然后到构成碳质陨石的小行星碎片,是如何减少的。至关重要的是,蓝线所显示的地球比率与碳质陨石完全相同。在第一步中,原太阳星云的地面值也是原始值的十倍。

创造出的水足以解释地球上的水。请记住,热科里诺山中的水量是地球水量的10,000倍,它的 HDO/H2O 比率不同于初始云中形成的水。有多少科里诺海水到达了地球?通过比较陆地水中的 HDO/H2O 值和热科里诺水中的 HDO/H2O 值,可以找到一些线索。

在任何仍在形成的太阳型行星系统中,热科里诺是我们观测到 HDO 的唯一地方。在以前的研究中,科学家们将这些比率与太阳系中的物体(彗星、陨石和土星的冰冷卫星土卫二)的比率进行了比较。因此,他们知道地球的重水丰度,即 HDO/H2O 比率,大约是宇宙中和太阳系初期的10倍。地球上的‘重于正常’水大约是宇宙中 D/H 元素比值的10倍,因此在太阳系诞生时,在所谓的太阳星云中。

所有这些工作的结果表明,地球上1% 到50% 的水来自太阳系诞生的初始阶段。范围很广,但仍然是一个重要的知识点。

作者在他们的结论中总结了一些事情。“彗星和小行星中的水(绝大多数陨石都来自这些小行星)也是从一开始就大量继承下来的。地球很可能主要从小行星继承了原始的水,这些小行星被认为是形成地球的小行星和行星的前身,而不是来自降落在地球上的彗星。”

彗星带来的水是地球水的另一个假说。在这个假设中,当彗星受到干扰,从冰冻的奥尔特云送入太阳系内部时,来自霜线以外的冰冻水就会到达地球。这个想法有道理。

一项新的研究表明,地球上的水已经有45亿年的历史了!

图七介绍:作者举例说明了一个简单的说明,显示了太阳系水的产生的四个步骤。

但这项研究表明,这可能不是真的。

尽管如此,还是有一些问题没有得到解答。这无法解释所有的水是如何到达地球的。但是这项研究表明,地球上重水的数量至少是解决这个问题的开始。

总之,地球上的重水量是我们的阿里阿德涅线,它可以帮助我们走出太阳系可能走过的所有可能路线的迷宫。

正如文章标题所说,地球上的水已经有45亿年的历史了。至少有一部分是。根据原作者的说法,星子很可能把它送到了地球,但具体是如何发生的还不清楚。在科学家们发现这个问题之前还有很多复杂的问题需要解决。原作者写道: “这个问题非常复杂,因为地球水的起源和进化不可避免地与地球上的其他重要参与者联系在一起,例如碳、分子氧和磁场。”。

这些事情都包含在生命如何起源和世界如何形成的问题中。水可能在形成把它送到地球的星子中起了作用。水可能在将其他化学物质,包括构成生命的基本物质,隔离到将它们送到地球的岩石体上起到了作用。

水处于这一切的中心,通过展示其中一些可以追溯到太阳系的起源,原作者们为弄清其余部分提供了一个起点。

他们写道: “在这里,我们根据最新的观测和理论,简化了地球水的早期历史。”。“很大一部分陆地水可能是在太阳系诞生之初形成的,当时它是由气体和尘埃组成的冷云,在形成行星、小行星和彗星的各个过程中冻结并保存下来,最终传送到新生的地球。”

“最后一段是如何发生的,这是另一个引人入胜的章节,”他们总结道。

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