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地球的水從哪來?

我們的日常生活與水密不可分,飲食、清潔需要水,而地球上的水體:湖泊、河流、海洋,還有天氣現象造成的降雨、降雪……都是地球賜予我們的天然物資。但你可曾想過,地球上為什麼蘊含豐富的水呢?地球上第一個水分子究竟從哪來?

  水分子是兩個氫原子(H)和一個氧原子(O)所組成,因此在探討水分子的來源時,首先要先找到水分子的「原料」從哪來──也就是,氫原子和氧原子從哪來呢?



地球上的水循環 [1]



水分子組成 [2]



  地球上的水的來源有很多個候選人,像是小行星、太陽星雲……等等,那我們要怎麼判斷地球上的水是誰落下的遺體呢?

  如同指紋是辨認一個人的特徵,世界上不會有兩個人擁有相同的指紋,因此我們可以利用指紋比對鎖定擁有這枚指紋的人。在尋找犯人時,經常會採集犯罪現場的指紋,比對所有嫌疑犯的指紋,判斷他是不是真正的兇手。而在尋找存在地球上水分子的來源時,也可以使用化學上的「指紋鑑定」,那就是「同位素比例分析」(isotope ratio)



氫的同位素:氫(上)、氘(中)、氚(下) [3]



  同位素指的是,同一個元素的不同原子具有相同的質子數、不同的中子數。以氫為例,氫原子具有一個質子、沒有中子,氫的同位素有兩種:「氘」有一個質子、一個中子,「氚」則有一個質子、兩個中子。我們可以藉由地球上的水體的氫氘比例,和隕石、太陽星雲的氫氘比例做比對。

  研究顯示,海洋中的氫氘比例和小行星的一致,說明了海洋上的水源自於小行星;但是,地函、地核交界處的水分子,氫氘比例比海洋來得大,因此,地球內部的水分子來源應該另有其「物」。



我們先從太陽系的歷史談起。



  今日太陽系所在的位置,原本是一團氣體與塵埃聚集的星雲,被稱為「太陽星雲」,星雲緩慢旋轉,直到有一天因為重力的分力而塌縮變得扁平(圖4-step1),形成恆星與原始行星。

  這個時候,地球剛生成,利用虹吸原理,吸入太陽星雲的氣體與塵埃,星雲中的氫也被帶入原始地球內部、直至地核;同時,剛形成的太陽系中有許多小行星橫衝直撞,撞上原始地球時,也帶來了氫,融合成原始地球的一部份,存在地函與海洋中。



太陽系演化 [4]



地球內部分層 [5]



  所以,雖然組成水分子的氫,大部分都是由小行星撞擊而來,但科學家相信,其中有一部分是由太陽星雲而來。

  這個研究同時也暗示了行星中水的生成機制,或許未來能夠推廣至「系外行星中,水如何生成?」的議題。



地球上的水從哪裡來?



  實際上是眾說紛紜,這個研究也是眾多學說中的一派說法。但是,不論這些水是來自太陽、來自與我們相撞的小行星、或來自其他天體,最重要的是,地球上的水孕育了生命、孕育了我們,要好好珍惜這一顆位於茫茫宇宙中,賦予我們生命、提供我們生存的母星。



2016年研究:地球的水來自原始行星Theia [6]



2017年研究:地球的水來自太陽風送來的氫 [6]



原始資料:

翻譯自https://www.space.com/42399-earth-water-came-from-sun.html

參考資料:

https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/isotope-ratios



圖片:

[0] https://hottopic.chinatimes.com/20160226004457-260805

[1] http://www.jcwise.hk/gis/hydrologicalcycle.php?lang=zh

[2] https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcS8kzt8KzbouDAO5AmuDVegbjB1Zt7gX-lwdd0qyem0_EmrEFiR

[3] https://fr.dreamstime.com/images-libres-de-droits-isotopes-d-hydrog%C3%A8ne-image30713539

[4] https://www.pmfias.com/solar-system-formation-nebular-theory-of-laplace-milky-way-galaxy/

[5] https://market.cloud.edu.tw/content/senior/earth/yl_ld/content/2-1/level.htm

[6] https://hottopic.chinatimes.com/20160226004457-260805

[7] https://kknews.cc/science/96expaj.html



 

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