地球之水哪裡來？

地球上70%左右的面積是被水覆蓋，事實上我們更應該稱地球為「水球」，那麼這些水到底從何而來呢?傳統的觀點認為地球上的水是「天」上來的，地外天體撞擊將冰封的水帶入地球環境中，其中就包括了隕石和彗星，那麼事實真的是這樣嗎?我們現在知道生命的誕生需要水資源，太陽系中目前只發現地球存在液態水環境，其他行星或者衛星上可能存在液態水環境，但只是處於推測中，並沒有獲得證實。

一種理論認為地球上龐大的液態水資源來源於太陽系早期形成的冰封天體，它們的軌道位於太陽系的最外側附近，科學家長期對隕石和小天體的研究發現，這些天體在撞擊地球之前就攜帶了冰封的水資源，撞擊地球時將這些物質殘留在地球上。但是最新的研究結果認為地球上的海洋在早期環境中就存在了，卡內基研究所地磁科學部主任琳達·埃爾金斯認為這個研究結果是非常有可能的，銀河系中其他行星也可能有著類似的演化過程，具備天生形成液態水海洋的能力。

地球上最古老的岩石追溯到40.3億年前，但是形成岩石的物質具有更加古老的年代，甚至可達到44億年前，其被稱為鋯石，科學家發現有些鋯石存在於水接觸的痕迹。另外，科學家還發現了一個可以否定彗星帶來液態水理論的證據，那就是大多數彗星上的水與地球上的水不匹配。但是隕石上的水與地球上的水就比較匹配，隕石則來自其他行星，比如火星隕石等，這說明太陽系內行星具有潛在的演化海洋的能力，只是地球的軌道位置有著先天的優越性，行星巨大的內部加熱能量源對液態水的形成有著積極的作用。

為了研究行星上的水資源形成之謎，科學家對水星和月球進行了研究，雖然月球也經歷了大規模的碰撞時期，但是其沒有形成海洋，研究結果認為水可以在行星形成的過程中倖存下來，為以後形成龐大的液態水環境提供基礎。計算機模擬還顯示了高溫狀態下是否會形成液態水，結果顯示蒸發的物質會重新凝結並回落，並形成循環，這一過程是形成當今地球液態水環境重要基礎。

美國作家查爾斯·費什曼所著的一本書《大水荒：水資源大戰與動蕩未來》中告訴我們：水只會在人們習慣找到它的地方慢慢消失，仍然會有大量的水存在於地幔中，比如存在於岩石中的水。而地球上的水幾乎都來自於外太空。迄今為止，地球上發現的最古老的岩石在加拿大魁北克省北部，有42.8億年歷史。這些年代久遠的岩石，幾乎與太陽系的年齡相近(據估計，太陽系已經存在46億年)。可是你也許不知道，我們衛生間的水龍頭裡流出的水，極有可能比加拿大的岩石更為古老——它可能已存在了43億、44億或者45億年。儘管這個說法仍存在爭議，但應該說我們現在所擁有的水，的確早已存在，並會永遠存在下去。因為地球上的水的分子式一直都是H2O。這些水不僅來自太空，甚至也形成於太空。實際上，水本身在宇宙中就是普遍存在，比太陽系的形成還早數億年，甚至數十億年。

加里·梅爾尼克是美國哈佛大學天體物理學中心的資深天體物理學家，他也是1997年時通過歐洲航天局設計的紅外線太空天文台，發現一個相當規模的「星際水源」的團隊成員之一。多年來，他一直用軌道望遠鏡研究星體的形成和太空水。他發現獵戶座的星體屬於銀河系，其旁邊有一個亮閃閃的點，即獵戶座「寶劍」上的一個小圓點，實際上它不是星體，而是一個巨大、明亮、由氣體和塵霧形成的雲團，即「獵戶座分子雲團」。氫氣就在這種雲團里凝結，正在形成新的星體。梅爾尼克說：「獵戶座離地球最近，是大星體形成的區域。」這個氫氣雲團看起來像獵戶座旁的一個小圓點，其實它規模龐大，可以產生成千上萬個星體。

梅爾尼克在和同事們用望遠鏡觀察獵戶座分子雲團時發現，那裡「每24分鐘產生的水，足以填滿地球上的所有海洋」。這些星體結合或分解時會發出衝擊波，衝擊波穿過含有遊離態的氫和氧的氣體雲，當衝擊波衝擊氫原子和氧原子使它們結合時，通常就會形成水。在此需要強調的是，氫是宇宙中最普遍的元素，而氧元素位列第三。因此，懸掛在獵戶座腰部的「寶劍」其實就像一個造水廠，一直在源源不斷地造水，每天製造的水量甚至是地球所需的60倍，其規模之大，令人難以置信。而這一片正在造水的區域，不過是銀河系中一片不起眼的「沼澤」而已。

梅爾尼克說，宇宙之大，我們難以想像。「那些星雲所造之水雖然很多，且密度很大，但我們仍不會說，若飄在太空，可能會被一大堆水打到。」所以儘管這塊星雲產水量如此巨大，但它是在相當於420個太陽系範圍大小的空間內造水，它周圍的溫度相對於我們來說，也仍不算「潮濕」。即使在這塊星雲中微塵最多的地方，即粒子最集中的地方，也比人類在地球上能創造出來的任何真空都「空寂」。梅爾尼克稱自他們發現這塊星雲以來的14年里，它已經創造出了如地球一樣濕潤多水的30萬顆星體上所有的水的總量。

讓我們回到地球上——地球上的水更大多數其實並不是以我們所熟知的冰、水、氣三種形式存在。水還有另外一種存在形式，這種形式異乎尋常——那就是封存在岩石中的水。可以說，這些岩石像一個巨大的水庫，它的含水量至少與地球上所有河流、海洋和冰川中的水量加起來一樣多，或許還是海洋水量的4倍、6倍或10倍。但它們一直被深埋在我們腳下410千米(約255英里)處。

這種奇特的「第四種形態」的水，還可能隱匿在你家的廚房中。如果你家廚房的綠石灶台是用蛇紋石做成的，假設一塊蛇紋石的鍋檯面板重約90公斤，在這塊石頭中，就有約10公斤會是水，即石頭中可能融入了10升水。但是，這種融合併不像把雞蛋攪在稀麵糊中那樣，而是水融進礦石的每個分子中，即裹在構成蛇紋石的鎂、硅和氧原子的點陣結構中。幾乎地下410千米深處的礦石大都以這樣的方式融進了水，當然這些水的存在形態並不是我們所熟知的那種——410千米厚的岩石疊加在一起所產生的重力，以及2000華氏度(約1093.33℃)高溫加熱的共同作用下，一個氫原子會離開水分子，留下一個羥基，而這個氫原子會融入礦石分子。科學家把這種融入水的礦石稱為「水合礦物質」(即「水岩」)。

有一點難以理解之處：一旦把羥基和單獨的氫原子注入岩石的晶體點陣，埋在地下近500千米的深處，這些原子若依然結合成水分子，將以何種方式存在?美國西北大學的地球物理學家史蒂芬·雅各布森專門研究地球內部的熱量、壓力，以及人類幾乎不能到達的漆黑世界。他用巨大的壓力(用來鍛造人造鑽石的壓力)模擬在地下約500千米深處的壓力和溫度，將水擠進岩石。他說：「如果去除壓力和溫度，氫原子和羥基會合成水分子。如果它不在岩石中，它就是水。如果它被融入岩石，它看起來就還是岩石。所以礦石是地球上大部分水的存在之處——水就在礦石中。」可以這樣形象地解釋：在適當的溫度和壓力下，某種礦石的確將水吸入其分子結構中，就像海綿吸水一樣。而水分子進入礦石就會分解，分解為一個氫原子和一個羥基。所以礦石中絕對有水。而且科學家至少從三方面得出了結論：水岩確實比沒有水合狀態時更柔韌，更易變形;科學家能用紅外線分光鏡測量出礦石分子結構中的水分子;最重要的是，當礦石承受的壓力和溫度以適當的方式被去除時，氫原子和羥基就會從礦石中脫離，以水的形式從礦石中流出。

科學家認為，他們已經弄清楚，這種水岩遍布地下400-650千米的深處，厚達240千米，比地球表面的水層還要厚。雅各布森說，即使這種礦石的含水量只有1%，其水量也很大，實際上已相當於地球海洋水量的幾倍。如今全球有成百上千名科學家正在研究地球深層水的物理特性和巨大作用。我們也許看不見這種隱身在地球深處的水，而且這種水或許比美國國家航空航天局2009年在月球上發現的水的存在形式更難研究、更難理解，但地球的深層水與美國聖莫尼卡碼頭、英國多佛白崖的洶湧波濤，以及南非約翰內斯堡或上海的地平線湧起的風暴雲其實都有關聯。

約瑟夫·史密斯是美國科羅拉多大學的地質學家，致力於研究深層水的動力學和重要意義，也是該領域的先驅之一。他認為，地幔深處礦石中的水是從海洋中而來，而地球表面的水其實又來自於地幔深處的深層水。史密斯解釋說，海洋底部有一層叫橄欖石的礦物質。當橄欖石和海水發生化學反應時，會生成蛇紋石，即上面所講過的、能當廚房灶台用的綠石。然後，在大陸板塊相互擠壓的地方，海洋底發生「潛沒」，即在大陸漂移的作用下，這些礦石被猛地推入地球內部。因此，這些浸透了水的蛇紋石便進入了地殼。

而深層水又是如何回到地球表面的呢?「大部分深層水是通過火山返回地面的，當安第斯山脈的火山或聖海倫火山噴發時，形成那些鋪天蓋地的火山雲的主要物質其實仍是水，裡面夾雜著火山灰。」通常，火山噴出的火山雲70%都是水，甚至更多。史密斯說，「事實上，正是岩漿里的水，引起了火山噴發。」地幔中到底儲存了多少水，仍然是個謎。科學家一直在苦苦探索。迄今為止，人類在地球表面所鑽的孔最深的有12千米，由蘇聯人耗時24年時間、斥資1億美元才得以完成。截至2008年，世界上最深的礦井，即人類實際探索地球內部的最深處，也只有3.9千米深。這兩個深度就像「手指甲在地球表面的抓痕」，離地球真正的「內部」仍然遙不可及。

但科學家們肯定，地球內部深層水區的反應約發生在410千米深處。所有的研究均通過聲波和地震學，以及模擬地球410千米深處的強壓和高溫進行。科學家這才得以創造出供其研究的地球深處的礦石樣本。但模擬強壓和高溫的代價極大，要動用一架兩層樓高的液壓機。即使地幔中有相當於四五個海洋總水量的深層水，抽取它卻不像勘探巨大的油田和天然氣田那樣容易。因為人類根本不可能直接取樣，更不用說抽取它來灌溉撒哈拉沙漠中的一塊土地。

不過史密斯認為，這種鎖在礦石中的第四種形態的水，或許是地球上最初的水源。他說：「地球上的水大多是『球粒狀隕石』初期隕落時，以羥基的形式來到地球的——對於這一點，現在還沒有獲得廣泛的認同。此外，也有些水則是以分子形式來到了地球。」也就是說，水仍然首先是在太空中形成，然後通過隕石的隕落來到了地球。當然，至今仍有一種說法認為地球上的水也可能由地球上早期的火山活動而來。不管怎樣，毫無疑問的是，地球深處的水岩對地球地質構造極其重要。這種水降低了礦石的黏度，使其產生柔韌性，也使大陸板塊能移動或重疊，而移動的板塊造就了地球上的大部分地貌。

還有最關鍵的一點，地球深層水或許是地球通體蔚藍的唯一原因。雅各布森說：「追溯到至少5億年前，隨著時間的流逝，我們已經擁有了相對恆定的海水總量……雖然海平面的確在上升或下降，但也只是在幾十米的範圍內波動。」地質學家將海拔高于海洋的大陸稱為「大陸超高」。如果你不太擔心大陸的邊緣(很不幸，大多數人就居住在大陸邊緣)，那麼數億年來，大陸超高的總量一直恆定，這令人稱奇——地球內部可能儲存著5倍於地球海洋總量的水，而海平面卻一直穩定不變，這真令人迷惑。因為從地球深層即使釋放出與現在地球海洋的水量相當的水，地球上的一切也都會被淹沒。雅各布森總結說：「或許，地幔中的深層水就是海洋存在的原因。我們目前仍無法開發飲用地幔中的水，但可能正是地幔中的水在維持著地球上海洋的總水量。」

不僅地球上有著悠久的水資源起源，月球上也有，NASA的探月計劃已經發現月球上存在「大量」的水資源，尤其是兩極地區的永久陰影區內，然而月球之水從何而來呢?此前有研究稱月球的水資源來源於彗星撞擊，與地球的水資源存在相同的起源，但最近卡內基科學學會與布朗大學的科學家發現月球的水資源可能來源於「潮濕」的地球，研究人員分析了由上個世紀70年代阿波羅17號任務帶回的月球土壤和岩石樣本，發現了其中存在細微粒徑的火山岩顆粒，該物質可存儲水分，為科學家揭開月球水資源的起源之謎提供了依據。

目前普遍的觀點認為月球形成於一次大衝撞事件中，一顆體積與火星相當的天體與地球發生碰撞，這場發生於45億年前的天體「事故」形成了月球，大多數天文學家認為碰撞導致的高溫環境會將任何形式的水資源蒸發，布朗大學研究人員阿爾貝托·薩爾等人發現這些礦物中包含的水資源總量不亞於地球地幔上的「含水量」。此外，科學家們還分析了地球和月球早期岩石中氫和其同位素氘的比率，由於這兩種同位素的凝結時間取決於溫度的變化，因此通過比較兩者的比例可說明水資源的起源問題。

地球和月球的岩石中存在幾乎相同比率的的氘，這說明了地球和月球的水資源存在同一個起源，月球樣本則取自阿波羅17號帶回的月球表面風化層物質。如果月球的水資源來自地球，那麼地球上的水又從何而來呢?科學家認為地球上的水資源來源於天體撞擊，尤其是小行星帶上運行的小型天體，而彗星的形成區域距離太陽較遠，其氫和氘元素的比值較大，本次調查所發現了氫和氘元素比值顯示這些水資源來源於距離太陽較近的區域，因此小行星帶可能為地球帶來了足夠的水資源。

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