地球缺水46亿年前已注定

既有大片的海洋,又有蜿蜒数百公里的大河,南北两极还有巨型冰河,地球看起来太不像一个缺水的星球了。但其实不然,我们这个星球的质量仅只有不到1%是水,多亏了有些彗星和小行星在地球刚形成后不久便投奔向地球的怀抱中,地球上质量不到1%的一丁点水,恐怕还是彗星和小行星为我们带来的伴手礼。

地球缺水的事实一直令天文学家费疑猜。按照过去标准模型的解释,数十亿年前,太阳系由一个以太阳为中心而绕行的原行星盘所形成,原行星盘由气体和尘埃组成,在这个标准模型里也同样预估:我们的地球应该是个水成分很高的水世界。因为围绕在太阳四周围有一块温度够低的区域,在那儿盘面上的一些东西因为冷凝结成冰,而地球的位置,不但就应该在那区块中,形成地球的材质也应该是冰颗粒。换句话说,地球应该富含水。到底为什么?我们的星球其实是这么干巴巴的呢?

地球为什么比这个模型所预期的干了那么多呢?太空望远镜科学实验室(STSI)的Rebecca Martin和Mario Livio两位天文学家所率领的团队最近将环绕在太阳周围的一圈形成行星的残骸物质吸积盘模型,重新做了一个新分析,提出了一个相当令人满意的解释。他们获得的结果是,我们的地球是在所谓的“雪线”以内、一块更干更热的区域里、以岩质材料形成。今天,太阳系里所谓的雪线的位置是在小行星带中央,在火星和木星之间、一圈很像“碎石集中场”的地方,而超过所谓的“雪线”以外,阳光相对变弱,便不再能溶化原行星盘所残余的冰颗粒了。先前的吸积盘模型认为,45亿年前,也就是最早地球成形的那时,雪线离太阳非常近。然而Rebecca Martin和Mario Livio的分析结果却是:“雪线从来没有迁徙到小于地球轨道里面过”,这和标准吸积盘模型主张的结果不同不打紧,甚至研究员还认为雪线应该停留在离太阳远远的地方-远到超过地球轨道以外,这才能合理解释地球为什么是一颗水不多的干行星。事实上,新的模型还认为,包括水星、金星和火星这几颗太阳系的内行星在内,同样也都该是质地干燥的行星才对。

让我们再回到传统模型的假设,在那里:围绕在太阳四周的原行星盘是处于完全电离的状态(电离的意思是原子里的电子被剥离),不断地朝它的母恒星成漏斗状输送物质,盘的温度会因此升高。雪线起初位在远离恒星的地方,大约16亿公里远,经过一段时间,盘面物质告罄,温度冷却下来,将雪线朝向内侧渐渐地吸引拖拉,在地球取得足够物质并形成为一颗行星以前,雪线的迁徙足迹由外向内跨过地球轨道,跑到小于地球轨道以内的地方。

不过问题是,如果地球生成的时候,雪线的位置在地球轨道以内,换言之,地球是位在雪线外圈,那么地球应该是一颗多冰的天体,就像天王星及海王星这些形成于雪线外的行星一样,组成成分有百分之好几十都是水。但是地球的水却不多,这个麻烦很难解释。

事实上新的突破成果正是因为这两位研究员找上了传统雪线迁徙模型的一个麻烦,研究才有了开始。因为他们想“环绕在年轻恒星四周的吸积盘应该是不会完全电离的才对,它们不应该和传统的原行星盘模型一模一样,因为它们的热度和辐射都不足以电离整个行星盘。”

譬如像是白矮星和X射线源等这些天体,因为非常热,它们可以释放充分的能量来电离吸积盘,但是事实上年轻恒星却既没有足够的辐射,而那些朝它不断下落的物质,能量也不够多到可以供应电离整个吸积盘所需的重量级“拳打脚踢”。

所以,要是吸积盘没有被电离,物质被吸引穿过重重区域而朝向恒星迁徙的机制就不存在,这导致的结果是,环绕在恒星太阳四周的气体和尘埃,既然不会向内移动,它们便在吸积盘上形成死亡区,一个典型的死亡区的范围大约有0.1到好几个AU大小(AU是地球和太阳间的距离,约等于1.5亿公里,是一个基本的天文距离单位),它像栓塞一样拦阻物质朝着靠近太阳的迁徙之路继续前进,物质会在死亡区里囤积,死亡区的密度也会渐渐增加,比方说,就好像演唱会时在等候进场管制的门打开之前,人潮塞爆了出入口处,是一样的道理。

物质的密度藉由重力压缩开始升温,过程中,栓塞区的四周也受到加热,含冰物质的水分因此被蒸发掉而变得很干燥。地球就是生成在这个注定很干的区域里。原本谜题待解的标准模型在这样的变动调整下,也就变得能够清楚解释地球为何并未形成一颗富含水分的星球了。

关于新模型,最后研究员附加了一条但书说明:改版的模型也许未必适用于所有年轻恒星的吸积盘。吸积盘的条件因恒星各种不同而有所差异,这就和世上许多其他事情一样,如何拍板决定地球形成的最终结果?全由当时的各种机会决定了。

地球缺水46亿年前已注定

这张鸟瞰图用两个盘状图说明46亿年前原行星盘有着一个以初诞生的太阳为中心的结构。在盘中,太阳系大家庭的各个行星们因黏聚尘埃和冰粒而聚结成块。

左右两个模型之间的主要区别在于所谓雪线的位置,雪线是个分隔岛,分出两个性质互异的区域,一个温暖干燥,另一个冰冷而紊乱。

左侧是原来标准的磁盘模型,地球形成于雪线外的冰冷区。根据这个模型,地球应该含有大量的水,因为形成地球的主要成分应该会是冰。然而,据估计,地球的水质量只有不到1%,向来令科学家百思不得解。

右图这个原始行星盘中画出了一个新模式,地球形成于雪线内一个干燥的地区,雪线离太阳远得多了。而这个模型也能够解释为什么地球的属性应该是干燥的。右方这个模型所提供的新见解在我们前往银河系去寻找类地行星而需要丰度估计时,可以好好派上用场。

作者:是柚子呀,如若转载,请注明出处:https://eozlab.com/zirankexue/dili/2330.html