地球上的水：真的来自太空尘埃吗？

在今天发表在期刊上的一篇新论文中 自然天文学 来自英国、澳大利亚和美国的一组研究人员描述了对古老小行星的新分析如何表明，当行星形成时，外星尘埃颗粒将水带到地球。

谷物中的水是由 空间风化，一个来自太阳的带电粒子称为太阳风的过程，通过这个过程改变了谷物的化学成分以产生水分子。 

这一发现可以回答这个长期存在的问题，即异常富含水的地球从哪里获得了覆盖其表面 70% 的海洋——远远超过我们太阳系中任何其他岩石行星。 它还可以帮助未来的太空任务在没有空气的世界中寻找水源。

几十年来，行星科学家一直对地球海洋的来源感到困惑。 一种理论认为，一种被称为 C 型小行星的载水太空岩石可能会带来 地球的水 在 4.6 亿年前形成的最后阶段。  

为了验证这一理论，科学家们之前分析了大块 C 型小行星的同位素“指纹”，这些小行星以富含水的碳质球粒陨石坠落到地球上。 如果陨石水中氢和氘的比例与陆地水的比例相匹配，科学家们可以得出结论，C 型陨石可能是其来源。

结果并没有那么明确。 虽然一些富含水的陨石的氘/氢指纹确实与地球的水相匹配，但许多不匹配。 平均而言，这些陨石的液体指纹与地球地幔和海洋中发现的水不一致。 相反，地球有一个不同的、稍轻的同位素指纹。 

换句话说，虽然地球上的一些水肯定来自 C 型陨石，但正在形成的地球肯定已经从至少一种源自太阳系其他地方的同位素光源接收到水。 

格拉斯哥大学领导的团队使用一种称为原子探针断层扫描的尖端分析过程来仔细检查来自称为 S 型小行星的不同类型太空岩石的样本，这些小行星的轨道比 C 型小行星更靠近太阳。 他们分析的样本来自一颗名为 Itokawa 的小行星，由日本太空探测器隼鸟号收集并于 2010 年返回地球。

原子探针断层扫描使该团队能够一次测量一个原子的晶粒的原子结构并检测单个水分子。 他们的研究结果表明，由于太空风化，在丝川的尘埃大小的颗粒表面下方产生了大量的水。 

早期的太阳系是一个尘土飞扬的地方，提供了大量机会在太空尘埃粒子的表面下产生水。 研究人员认为，这种富含水的尘埃会与 C 型小行星一起落到早期地球上，作为地球海洋输送的一部分。

格拉斯哥大学地理与地球科学学院的 Luke Daly 博士是该论文的主要作者。 戴利博士说：“太阳风主要是氢和氦离子流，它们不断地从太阳流向太空。 当这些氢离子撞击小行星或太空尘埃粒子等没有空气的表面时，它们会穿透地表以下几十纳米，在那里它们会影响岩石的化学成分。 随着时间的推移，氢离子的“空间风化”效应可以从岩石中的物质中喷射出足够多的氧原子以产生氢₂O – 水 – 被困在小行星上的矿物质中。

“至关重要的是，这种由早期太阳系产生的太阳风衍生的水是同位素轻的。 这有力地表明，数十亿年前受到太阳风冲击并被吸入正在形成的地球的细粒尘埃可能是地球水库缺失的来源。”

科廷大学地球与行星科学学院约翰科廷特聘教授、该论文的合著者菲尔布兰德教授说：“原子探针断层扫描让我们能够在表面的前 50 纳米左右进行非常详细的观察Itokawa 上的尘埃颗粒，它以 18 个月的周期围绕太阳运行。 它使我们能够看到，这个太空风化边缘的碎片含有足够的水，如果我们将其放大，每立方米岩石大约有 20 升。”

普渡大学地球、大气和行星科学系的合著者米歇尔·汤普森教授补充说：“如果没有这项非凡的技术，这种测量根本不可能实现。 它让我们对漂浮在太空中的微小尘埃颗粒如何帮助我们平衡关于地球水同位素组成的书籍有了非凡的洞察力，并为我们提供了新的线索来帮助解开其起源之谜。”

研究人员非常小心地确保他们的测试结果是准确的，并与其他来源进行了额外的实验来验证他们的结果。

戴利博士补充说：“科廷大学的原子探针断层扫描系统是世界一流的，但它从未真正用于我们在这里进行的那种氢分析。 我们想确保我们看到的结果是准确的。 我在 2018 年的月球和行星科学会议上展示了我们的初步结果，并询问与会的同事是否会帮助我们用他们自己的样本验证我们的发现。 令我们高兴的是，美国宇航局约翰逊航天中心和夏威夷大学马诺阿分校、普渡大学、弗吉尼亚大学和北亚利桑那大学、爱达荷州和桑迪亚国家实验室的同事都愿意提供帮助。 他们给了我们用氦和氘而不是氢辐照的类似矿物的样本，从这些材料的原子探测结果中，我们很快就清楚我们在丝川看到的东西是来自外星的。

“为这项研究提供支持的同事们真的是太空风化的梦之队，所以我们对收集到的证据感到非常兴奋。 它可以为更好地了解早期太阳系的样子以及地球及其海洋的形成方式打开大门。”

该论文的合著者、檀香山夏威夷大学马诺阿分校的约翰布拉德利教授补充说：就在十年前，太阳风辐射与太阳系中水的起源有关的观点与地球海洋关系不大的 ，会受到怀疑。 通过首次展示水的产生 原位 在小行星表面，我们的研究建立在越来越多的证据基础上，这些证据表明太阳风与富氧尘埃颗粒的相互作用确实会产生水。 

“由于在小行星吸积开始之前遍布整个太阳星云的尘埃不可避免地受到辐射，因此这种机制产生的水与行星系统中水的起源直接相关，也可能与地球海洋的同位素组成有关。”

他们对太空风化表面可能含有多少水的估计也表明了未来太空探索者可以在即使是最看似干旱的行星上制造水供应的方式。 

合著者夏威夷大学马诺阿分校的 Hope Ishii 教授说：“未来载人太空探索的一个问题是宇航员如何找到足够的水来维持生命并完成任务，而无需在旅途中随身携带水. 

“我们认为可以合理地假设，在诸如月球或灶神星等许多没有空气的世界上，在丝川上产生水的相同空间风化过程将在一定程度上发生。 这可能意味着太空探索者很可能能够直接从地球表面的尘埃中处理新鲜的水源。 令人兴奋的是，当我们到达地球之外时，形成行星的过程可以帮助支持人类生活。” 

戴利博士补充说：“美国宇航局的阿尔忒弥斯项目正着手在月球上建立一个永久基地。 如果月球表面有一个类似的水库，来自这项研究在 Itokawa 发现的太阳风，那将是帮助实现这一目标的巨大而宝贵的资源。”

该团队的论文题为“太阳风对地球海洋的贡献”，发表于 自然天文学。 

来自格拉斯哥大学、科廷大学、悉尼大学、牛津大学、夏威夷大学马诺阿分校、自然历史博物馆、伊达国家实验室、洛克希德马丁公司、桑迪亚国家实验室、美国宇航局约翰逊航天中心的研究人员，弗吉尼亚大学、北亚利桑那大学和普渡大学都对这篇论文做出了贡献。