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作者：haibaraemily
编辑：明天
地球上的水是什么时候形成的？这是科学家们至今还在争执不休的课题。不过，过去人们普遍认为，起码在地球诞生（约46亿年前）最初的几亿年里，应该不太可能有水存在。因为那时候内太阳系的几个岩质大天体都在经历着剧烈的小天体撞击，完全是一个个熔融炙热的冶炼炉。那么很自然地，人们认为地球上的水应当形成于晚些时候，怎么也不能比45亿年更早了吧。
然而，近日，英国开放大学的Greenwood及其同事们通过测量月球的岩石样本，发现地球上的大部分水可能在45亿年前就存在了 [1]。
咦？为什么科学家们可以通过月球的岩石找到地球上水含量变化的线索呢？这一切还得从月球的起源说起，那是很久很久以前的一天……
飞来横祸的一天
45亿年前的一天，一颗火星大小的天体从天而降，倾斜撞向了尚未完全长成的“幼年”地球。剧烈的撞击迅速粉碎和融化了这个火星大小的天体，也把地球的一部分物质撞了出来。这些碎屑物质散落在地球四周，又通过引力和碰撞重新聚集起来，最终形成了如今的月球。
大撞击假说的假想图。 图片来源：museumvictoria.com.au
这就是著名的大撞击假说（Giant Impact Hypothesis）为我们构建的月球起源图景[2, 3]。科学家们还给这颗假想中的撞上地球的天体赋予了一个意味深长的名字——忒亚（Theia），她是希腊神话中的泰坦女神，也是月神塞勒涅（Selene）之母。
修修补补的几十年——行星科学家：宝宝心里苦！
虽然人们对月球的起源一直有诸多猜想，但大撞击假说是近几十年来最受青睐的一个，因为它能较好地解释如今地球的自转倾角、地月系统的密度差异和轨道动力学等等这些物理关系。
但物理上的大厦盖起来了，化学上的窟窿怎么办？行星科学家们可以说是绞尽脑汁地打上了各种补丁。
起初，人们想当然地认为形成月球的碎屑一定是大部分来自忒亚，小部分来自地球。如果是这样，那么最终形成的月球在化学成分上（比如某种元素的各种同位素比例）应该更接近忒亚而非地球，对吧？
可是阿波罗任务带回来的月球岩石的同位素含量测量显示，地月岩石以氧为首的一些同位素的比例像得不得了，几乎没有差异啊[4]。坏了，那怎么办？
简单，让忒亚和地球的化学成分相同不就行了么，反正45亿年前的忒亚是啥样还不是靠推（瞎）理（猜）么！
可是显然忒亚和地球的化学成分不同才是更有可能的情况，毕竟两个素未谋面的天体化学成分上一模一样，这概率实在有点小。为了让大撞击假说更有说服力，行星地球化学家们又提出了“同位素均一理论（isotopic equilibration）”。该理论认为在当时大撞击之后，地球外层物质和忒亚的碎屑在一个高温熔融气化的环境中充分混合了，所以两者的成分变得非常相似[5]。
问题又来了，氧这样的易挥发元素好说，但地球和月球上像钛和钨这样难熔元素的同位素含量也非常相似 [6, 7]，这就解释不通了，因为这些元素非常耐高温，不太可能熔融气化参与这种充分混合啊。
好说，咱们把原本的动力学模型再改改。
比如，如果最初的撞击更剧烈。更剧烈的撞击会撞出更多更深的地球物质，让最终生成的月球的原材料主要来自地球而非忒亚不就结了。但更剧烈的撞击就会让之后的地月系统角动量比现在大不少啊，这对不上。怎么办？让多出来的角动量在地月系统和太阳的轨道共振中消耗掉呗——这就是“高能撞击模型” [8, 9]。
或者干脆不要只撞一次了——如果是小一点的忒亚（们），多次撞击了“幼年”地球，这些撞击产生的碎屑就更容易充分混合和自由迁移，也可能产生目前的地月化学成分——这就是“多次撞击假说”[10]。
可还是不对，就算大撞击结束之后的地月岩石的化学成分可以达到一致，那毕竟也是45亿年前啊！在那之后的漫长年月里，地球和月球依然经历了多次小行星和彗星的撞击，这些撞击必然为地月系统带来了新的物质——这被称为“后增薄层（late veneer）”[11]。新旧物质的混合会进一步改变地球和月球的化学成分，也就是说，即使45亿年前的地月化学成分是一样的，到现在也不应该一样了。
这还没完，不要忘了，上面这些分支假说都是在“地月岩石成分差不多”这个前提下的，可问题是，不同的研究者用不同的样品测的结果还不一样……有研究就表明：我们测的地球和月球的氧同位素含量明明差别很大啊，月球和地球的氧同位素含量明明有高达12 ppm的差别[12]（1 ppm=百万分之一，支持“几乎没有差别”的研究认为只有不到1ppm的差别）！所以说你们这些补丁都不用打，压根就没有窟窿，我这儿和大撞击理论符合得好着呢，你们洗洗睡吧！虽然，大部分行星地球化学家们都不太认可这个12ppm实验结果[13]……
说了这么多，其实不过是近二三十年来月球起源假说各种争论的冰山一角……在大撞击假说这栋大厦里，行星科学家们就这样补完一楼补二楼，补完二楼补三楼，补完三楼……什么？一楼又破了？！
行星科学家们：宝宝心里苦，难过到嗦不出话……
不过，聪明的大家一定发现了，说来说去，有一个基本的争议点决定了后面所有假（脑）说（洞）的走向：
地球和月球的氧同位素含量到底是不是差不多啊？！这个问题实在是太关键了。
重测氧同位素含量重现地球的含水量变化
近日，英国开放大学的Greenwood及其同事们又㕛叒叕测了一把地球和月球的氧同位素含量。他们的实验中使用了最高精度的同位素测量方法，囊括了目前为止最全面的月球和地球岩石样本。结果显示：月球岩石和地球玄武岩的氧同位素含量存在3-4 ppm（也就是百万分之三到四）的差别——比12ppm小得多，但也不止1ppm那么小。什么意思呢？就是说，之前关于大撞击假说的那些补丁依然有必要打，而且，还不够。
不够的地方在于，仅仅是撞击之后的混合，似乎并不足以导致4ppm的差别……
Greenwood及其同事们以一种叫做顽火无球粒陨石（aubrites）的陨石代表忒亚的化学成分，模拟了撞击之后氧同位素的混合和含量。顽火无球粒陨石富镁、贫铁，且的氧同位素含量和月球岩石相近，因而被认为化学成分很接近当年的撞击物。
这个模拟结果显示，撞击和混合之后月球和地球岩石的氧同位素含量差异应当只有2 ppm。也就是说，地月岩石的氧同位素差异只有一半是原本的大撞击和混合造成的。
而另一半是怎么来的呢？那就应该是之后45亿年间，小行星和彗星不断地撞击引起的，于是“后增薄层”不仅不是窟窿，还成了新的补丁。
后增薄层对地球化学成分的后期改造示意图。图片来源：参考文献[14] | 翻译：haibaraemily
这次模拟还产生了一个“副产品”——从侧面限定了地球上水的起源时间。在大撞击之后的45亿年里，无数小行星和彗星来到了地球。过去的研究认为，正是这些小行星和彗星，给地球带来了大部分水和挥发物，再一次改变了地球岩石的氧同位素含量。然而，Greenwood及其同事们通过这次的地月岩石氧同位素含量的测量值进行推算，却发现地球全球水量中只有5-30%是大撞击之后地球上新增的，也就是说，地球上绝大部分的水可能在45亿年前的那次大撞击之前，就已经静静地存在于幼年地球上了。这也用不同方法印证了之前的研究结果[15]。
那么这些水是如何在还未长成的地球上诞生，又是如何在大撞击和频繁的小型撞击之下幸存的？这些都还有待行星科学家们继续探索。另一方面，如果在行星形成早期就能有大量的水存在，那么经历过相似阶段的系外行星上，有液态水和生命的希望似乎也大了不少。
至于大撞击假说这栋大厦将来会怎么样嘛……或许有一天，行星科学家们能把所有的补丁都给完美补上，也或许有一天，补丁打太多大厦直接就塌了……谁知道呢？
致谢本文感谢好友Yanhao Lin, Shaofan Che, Le Qiao, Boyang Liu，Yuki小柒的审稿和对本文内容提升所提供的帮助。
作者名片
排版：晓岚
题图来源：699.pic
参考文献：
[1] Greenwood, R. C., Barrat, J. A., Miller, M. F., Anand, M., Dauphas, N., Franchi, I. A., ... Starkey, N. A. (2018). Oxygen isotopic evidence for accretion of Earth’s water before a high-energy Moon-forming giant impact. Science advances, 4(3), eaao5928.
[2] Hartmann, W. K., Davis, D. R. (1975). Satellite-sized planetesimals and lunar origin. Icarus, 24(4), 504-515.
[3] Canup, R. M., Asphaug, E. (2001). Origin of the Moon in a giant impact near the end of the Earth's formation. Nature, 412(6848), 708.
[4] Wiechert, U., Halliday, A. N., Lee, D. C., Snyder, G. A., Taylor, L. A., Rumble, D. (2001). Oxygen isotopes and the Moon-forming giant impact. Science, 294(5541), 345-348.
[5] Pahlevan, K., Stevenson, D. J. (2007). Equilibration in the aftermath of the lunar-forming giant impact. Earth and Planetary Science Letters, 262(3-4), 438-449.
[6] Zhang, J., Dauphas, N., Davis, A. M., Leya, I., Fedkin, A. (2012). The proto-Earth as a significant source of lunar material. Nature Geoscience, 5(4), 251.
[7] Dauphas, N., Burkhardt, C., Warren, P. H., Fang-Zhen, T. (2014). Geochemical arguments for an Earth-like Moon-forming impactor. Phil. Trans. R. Soc. A, 372(2024), 20130244.
[8] Ćuk, M., Stewart, S. T. (2012). Making the Moon from a fast-spinning Earth: a giant impact followed by resonant despinning. science, 338(6110), 1047-1052.
[9] Canup, R. M. (2012). Forming a Moon with an Earth-like composition via a giant impact. Science, 1226073.
[10] Rufu, R., Aharonson, O., Perets, H. B. (2017). A multiple-impact origin for the Moon. Nature Geoscience, 10(2), 89.
[11] Walker, R. J., Bermingham, K., Liu, J., Puchtel, I. S., Touboul, M., Worsham, E. A. (2015). In search of late-stage planetary building blocks. Chemical Geology, 411, 125-142.
[12] Herwartz, D., Pack, A., Friedrichs, B., Bischoff, A. (2014). Identification of the giant impactor Theia in lunar rocks. Science, 344(6188), 1146-1150.
[13] Young, E. D., Kohl, I. E., Warren, P. H., Rubie, D. C., Jacobson, S. A., Morbidelli, A. (2016). Oxygen isotopic evidence for vigorous mixing during the Moon-forming giant impact. Science, 351(6272), 493-496.
[14] Kleine, T. (2011). Geoscience: Earth's patchy late veneer. Nature, 477(7363), 168.
[15] Fischer-Gödde, M., Kleine, T. (2017). Ruthenium isotopic evidence for an inner Solar System origin of the late veneer. Nature, 541(7638), 525.
果壳科学人
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回答时间：2022-12-14 01:58:23