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早期研究表明，地球曾經(jīng)被水覆蓋的可能性很大。聚焦地幔的新證據(jù)表明，數(shù)十億年前，我們的整個星球被海洋所覆蓋，是貨真價實的水世界。

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藝術(shù)家對水世界星球的概念圖。——圖片來自科學新聞網(wǎng)（Sci-News）。

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科學家理論理論闡釋了這些外行星——世界繞遠距離的的恒星——可能是水世界，巖質(zhì)行星完全被全球全球海洋覆蓋。本月，哈佛大學的的一位研究者發(fā)表了新的證據(jù)——地球它本身曾是一個水世界，它自身的全球海洋和非常少，至少，可見的陸地。哈佛的行星科學家董俊杰是是新論文的第一作者，集中在地球地幔存在的水，我們行星的的地殼和地核之間的巖石層。這些結(jié)果發(fā)表在2021年3月9日，在同行審議的雜志美國地球聯(lián)合會進展AGU Advances上。

你可能在學校的時候了解過，地球的水循環(huán)就是水不斷地相互轉(zhuǎn)化：從海洋表面蒸發(fā)到大氣——到充滿河流和湖泊的降雨，進而又會形成冰川、極地冰蓋和地下水庫——而且相比人類的時間尺度而言，水通常會在很久之后，最終又回到了海洋。但是我們很少想到水在地下過程中所起的重要作用。例如，巖漿中的水含量決定了火山的爆發(fā)力，水在石油的形成和遷移中起著重要的作用。

海水也滲透到海洋地殼中。在那里，它使火成巖水合，把它們轉(zhuǎn)化為所謂的含水礦物。正是在這種形式下，水被帶到地幔中。Dong的論文解釋了他的團隊用來推斷地球曾經(jīng)是一個水世界的思想過程：

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?地球表面的水大部分都儲存在海洋里，同時在它的內(nèi)部，主要的巖石轉(zhuǎn)化成礦物質(zhì)的過程，附帶了極其重要的一部分水……這些水可以溶解地幔中的礦物質(zhì)，這就是所謂的水存儲能力，這通常會降低地球更多的溫度。在幾十億年的變遷中，地球內(nèi)部水和表層水的轉(zhuǎn)化已經(jīng)能控制海洋體積的變化了。

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這里，我們計算地幔水存儲容量，早期地幔溫度具備儲水。我們發(fā)現(xiàn)水存儲容量是出于一個熱的，早期地球地?？赡鼙扔兴蔚牡蒯８。酝饧釉诮裉斓牡蒯Ｋ胍嬖谟谠缙诘厍虮砻骱彤a(chǎn)生更廣闊的海洋

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長期以來都是假設地質(zhì)時代的地表海洋體積幾乎保持不變，但我們的結(jié)果表明這可能需要重新評估。

如今，大約70%的地表被水覆蓋。但幾十億年前，可能根本看不到地表土地。（圖片來源：美國地質(zhì)勘探局/密歇根理工大學）

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現(xiàn)在地底深處，水被儲存在兩種高壓形式的火山礦物橄欖石中：含水瓦士利石和菱鎂礦。這種水被認為是以羥基化合物的形式存在，由氧原子和氫原子組成。

迄今為止，關于這些礦物儲存能力的知識都是基于我們現(xiàn)代地球上地幔內(nèi)部的高溫和高壓。但董想更進一步，計算出在更大溫度范圍內(nèi)的存儲容量。為什么因為當?shù)厍蚋贻p的時候，地幔的溫度比現(xiàn)在高得多，這意味著它的儲水量比現(xiàn)在少。結(jié)果表明，這兩種礦物在較高溫度下對水的儲存能力較低。如果地幔不能容納那么多的水，那么水去哪里了？表面上，董說：

這說明了水一定是在其他的地方。最可能的蓄水庫就是地表。

由于橄欖石礦物從巖漿中結(jié)晶出來，地幔的儲存能力也開始隨時間而增加。

如論文中所述：

地球固體地幔的總儲水能力受到長期冷卻的影響，這是由于其組成的礦物的儲水能力依賴于溫度。如今地幔的儲水能力是現(xiàn)代海洋表面質(zhì)量的1.86到4.41倍。

這到底意味著什么？

這表明在2.5至40億年前的“太古宙”（Archean Eon）時期，當時地球上的大部分水都在地表，而地幔中的水很少。地球表面實際上完全被水覆蓋，根本沒有陸地。

這項新研究由哈佛大學的董俊杰(Junjie Dong)團隊發(fā)表。圖片來自哈佛大學。

但是那些剩下的水分去哪了呢？很大部分是在地幔內(nèi)部溫度逐漸冷卻、儲存能力上升時滲入其中。這個過程一直持續(xù)到地表上的水量——包括所有海洋和湖泊中的水——下降到我們今天看到的程度。事實上根據(jù)最新研究，水曾經(jīng)覆蓋幾乎100%的地球表面，現(xiàn)在僅覆蓋了71%的區(qū)域。

去年，有研究表明：32億年前的地球比現(xiàn)在所擁有的地表更少。那些發(fā)現(xiàn)建立在被保留下來的早期海洋地質(zhì)學記錄中大量氧分子同位素的基礎上。

這些新的結(jié)果不僅提供了地球曾經(jīng)是一個水世界的一瞥，而且對我們太陽系中的其他水世界如木衛(wèi)二、土衛(wèi)二和其他海洋衛(wèi)星也有影響。然而，這些衛(wèi)星與地球的不同之處在于，它們的全球海洋都被冰層覆蓋。在許多方面，它們與地球兩極被冰雪覆蓋的海洋環(huán)境相似。

在我們的太陽系中，已知有幾顆這樣的海洋衛(wèi)星。甚至像谷神星和冥王星這樣的矮行星也曾有過地下海洋，現(xiàn)在可能還存在。隨著數(shù)以千計的系外行星被發(fā)現(xiàn)，估計僅在我們的銀河系就有數(shù)十億，有多少顆衛(wèi)星在那里？可能比我們現(xiàn)在能輕易計算的還要多，如果我們的太陽系有任何跡象的話，這些衛(wèi)星中的許多也可能是海洋世界。

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其他證據(jù)也表明可能存在許多其他海洋世界（行星），它們更像被水覆蓋的地球。它們的適居性仍是未知的，在我們有希望找到一個之前，我們不會知道更多。

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越來越多的證據(jù)表明，我們的銀河系中還存在其它水世界，在我們自己的太陽系中也有一些，比如木衛(wèi)二（上圖）、土衛(wèi)二等衛(wèi)星都有被冰殼覆蓋的海洋世界。（圖像由美國國家航空航天局、加州理工學院噴氣推進實驗室、地外文明研究所提供）

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光是在我們銀河系就存在數(shù)百萬或更多包括行星和衛(wèi)星在內(nèi)的水世界這一想法令人興奮。了解更多關于我們星球過去有水存在的情況有助于科學家們找到其中一些，甚至可能發(fā)現(xiàn)外星水生生物存在的證據(jù)。

正如保羅·沃森（ Paul Voosen）在《科學》中所寫的，這也暗示了地球上生命是如何起源的。一些科學家認為是從海底營養(yǎng)豐富的熱液噴口開始的。但是其他理論認為，是陸地上經(jīng)常蒸發(fā)的淺水池塘，形成了濃縮的化學物質(zhì)浴。全球海洋理論說明這兩種情境都是有問題的。在海洋中所必需的生物分子可能已經(jīng)被稀釋了，并且由于所有或者絕大部分的土地都被淹沒在了水下，淺水池也變得不太可能。慕尼黑路德維希馬克西米利安大學(Ludwig Maximilian University of Munich)的生物化學家，托馬斯·卡瑞爾(Thomas Carell)提出了一種不同的可能性：包含水的海洋巖石口袋在海底火山中沖出了地表。他說：

也許我們有一個小山洞，在其中發(fā)生了這一切。

結(jié)語：哈佛大學的新證據(jù)表明，幾十億年前，地球是一個真正的水世界，完全被海洋所覆蓋，幾乎沒有可見的陸地。

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BY：Paul Scott Anderson

FY：Astronomical volunteer team

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