謝懿

潮濕的太陽系

這幾年，由于美國航空航天局在火星探測領域取得了巨大的成功，火星在太陽系內(nèi)大出風頭，每每有新發(fā)現(xiàn)，便是舉世矚目，尤其是發(fā)現(xiàn)什么和水有關的東西。這常常給人一種錯覺，好像在太陽系乃至整個宇宙，水都是非常罕見的東西。

事實上，在整個太陽系，水是非常常見的物質(zhì)，尤其在太陽系外圍的天體中，水大面積存在。小行星帶、木星的幾個衛(wèi)星、土星環(huán)及土星的衛(wèi)星等都擁有大量的水。如果將這些水平均分配到圍繞太陽旋轉的天體上，那整個太陽系將是非常非常濕潤的。

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走遍太陽系各個角落的“旅行者”號、“海盜”號、“先驅者”號等行星探測器，為我們描繪出一張?zhí)栂档乃植紙D。盡管這些水并不能滿足我們的生活需要，卻向我們揭示了行星以及衛(wèi)星的歷史，并時刻提醒我們在地球之外存在生命的可能性。

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天文學家習慣把地球稱為“水世界”，因為其超過70%的表面被咸水、可飲用水以及冰所覆蓋。其實在外太陽系，水更加豐盈。土星光環(huán)中所包含的水是地球上所有海洋中水的2600萬倍。一顆普通的彗星就攜帶有數(shù)十億噸水冰?；鹦呛湍拘侵g的小行星帶有10%的成分是水。但在火星軌道以內(nèi)的內(nèi)太陽系卻并非如此：火星、金星、水星都僅有微量水存在。

水從哪里來

內(nèi)太陽系行星獲得水的途徑有許多種。構成它們的原始物質(zhì)中可能本身就含有大量的水。此后，它們還可以因彗星和小行星的撞擊不定期地得到水。

行星形成于一個氣體和塵埃盤中。這些塵埃會向這個盤的中平面沉降，在那里凝聚成星子，星子進一步聚集成行星。在這個盤中有一條神奇的分界線，被稱為“雪線”，水在那里開始凝固?！把┚€”之外會比“雪線”之內(nèi)擁有多得多的固體團塊，因此，巨行星的核心會首先形成。巨行星木星會把小行星拋入內(nèi)太陽系，由此把水帶到內(nèi)太陽系的其他行星上。

持這一觀點的科學家認為，內(nèi)太陽系形成于相對干燥的環(huán)境中，而外圍的小行星帶則包含了大量的水，其中多達10%的物質(zhì)以含水礦物的形式出現(xiàn)。地球的大部分水都來自外圍的小行星帶。

這興許可以解釋為什么金星比地球干燥得多。金星和地球形成于原始太陽星云中相同的區(qū)域，但前者所含的水只有后者的十萬分之一。有意思的是，根據(jù)目前最廣為學者接受的太陽系演化理論，所有的行星都形成于小行星帶的外側區(qū)域內(nèi)，之后再和木星的引力相互作用，才被散射出小行星帶。如果行星胚胎是在小行星帶的中間區(qū)域發(fā)育的，那我們就應該能看到小行星帶留有縫隙。事實上，小行星帶盡管有空隙，但物質(zhì)分布十分均勻。這就要求小行星帶的質(zhì)量必須很小。如果是這樣，地球上的水就不可能都來自小行星帶。如果小行星帶的質(zhì)量達到能向地球提供其海洋中所有的水的話，那灶神星（小行星帶中一個較大的天體，直徑約550千米）所遭受的撞擊將遠遠超出“黎明”號探測器探測到的程度。

科學家曾經(jīng)認為，地球上的水有很多來自外太陽系的彗星。但今天，這一觀點已受到質(zhì)疑，因為對于從遠處進入太陽系腹地的彗星來說，木星的引力就像一道屏障。而且，大多數(shù)彗星所具有的氘氫比也與地球上的值迥然有別，小行星的氘氫比則與地球的相仿。

水去了哪里

除非被塵土所覆蓋，水無法在真空中長時間存在，也無法在陽光照射下幸存。水星和月球上的一些極深的環(huán)形山內(nèi)終年不見陽光，雷達在那里發(fā)現(xiàn)了存在水的跡象。在美國用觀測和傳感衛(wèi)星撞擊月球南極的時候，也發(fā)現(xiàn)了那里有水存在的證據(jù)。

行星大氣中的氘氫之比可以告訴我們它曾經(jīng)擁有多少水以及它可能流失了多少水。氘是氫的一種同位素，原子核中除了一個質(zhì)子之外，原子核還含有一個中子。當水被分解成氫和氧時，較輕的氫會向太空逃逸，而較重的氧則會和其他元素結合，有一種物質(zhì)卻會保持自身的本色，它就是氘。雖然更輕的氫原子會向太空逃逸，氘的豐度卻幾乎是恒定的。行星上氘的含量為測試該星球氫和水的流失量提供了絕佳的線索。

1978年，美國航空航天局的“先驅者”號金星探測器在金星大氣中發(fā)現(xiàn)了高濃度的氘，氘和氫的比值是地球的約100倍，暗示金星已有大量氫流失。天文學家認為，這等同于水的流失，因為在內(nèi)太陽系中，水是占據(jù)主要地位的含氫分子，表明金星的過往就是一部流失水的歷史。

那么，金星過去是否擁有過類似地球上的海洋呢？雖然科學家已經(jīng)建立了多種有關行星如何失去水的理論模型，但他們對這個問題的回答仍很謹慎。有一種觀點是，失控的溫室效應可以讓金星上可能存在的整個海洋都蒸發(fā)殆盡。不過，溫室效應不會留下氘氫比這樣的“同位素信號”。流體動力學也可以部分解釋金星上水流失的過程。隨著金星大氣層增厚，氣流會帶著水緩緩流失，不會留下氘氫比印跡。此外，還有許多不依賴于熱量的水流失機制，它們甚至在今天依然奏效。例如，金星上豐富的硫與水發(fā)生反應，生成二氧化硫，并釋放出氫原子。有科學家懷疑，金星曾經(jīng)擁有海洋，因為它的氘氫比暗示，其過去的水量至少是現(xiàn)在的100倍。

更靠近小行星帶這一“水源地”的火星是我們相對了解得多的地方。天文學家發(fā)現(xiàn)了火星兩極的冰冠，近來又發(fā)現(xiàn)了其干涸的河谷網(wǎng)絡以及曾經(jīng)可能是淺海的大型盆地?；鹦擒噷鹦菐r石的分析顯示，在很久以前，火星上可能有長期存在的咸水湖泊。環(huán)火星探測器發(fā)現(xiàn)，火星的地表之下可能存在大量的冰。

有兩大因素主導了火星上水的流失。首要原因是火星的引力不夠強，無法束縛濃密的大氣；其次是小行星和彗星的大規(guī)模撞擊使其大氣逃逸。相比地球和金星而言，由于引力小，火星在撞擊面前更加脆弱。

有多少水在我們常識之外

除了木星和土星的大氣層以及天王星和海王星的核心含有水之外，那里各式各樣的冰質(zhì)衛(wèi)星也飽含水。在它們的冰幔中，可能藏著從地下湖泊到巨大海洋不等的水體。這些衛(wèi)星和它們宿主行星之間的軌道共振會加熱這些冰，當這種共振達到某一特殊值，引力會加熱這兩個天體的內(nèi)部。外太陽系中的許多衛(wèi)星都處于這樣的共振中。

木星的衛(wèi)星木衛(wèi)二是地外海洋——甚至可能藏有地外生命——的典范。這個比月球稍小一些的衛(wèi)星被一個水冰殼層所覆蓋。然而，這一殼層卻并非完全是固態(tài)的，在它的下面可能有一個深100千米的海洋，但那里也許并不適合潛水艇航行。科學家猜測，其海水可能含鹽且呈酸性。木星的另外兩顆大型衛(wèi)星也十分濕潤。木衛(wèi)三和木衛(wèi)四的巖質(zhì)核心之外都有厚厚的冰殼，在這些冰層下方的深處可能存在海洋。而它們的表面則被一層深色的有機物質(zhì)所覆蓋。

在更遙遠的地方，水同樣占據(jù)著土星、天王星和海王星的衛(wèi)星，其中土星的衛(wèi)星土衛(wèi)二上的噴泉是其擁有地下水的最直接證據(jù)。起初，科學家認為，這些噴泉源自淺湖，但現(xiàn)在有一些人相信，它們源自更深的水體。一種觀點認為，土衛(wèi)二上的地質(zhì)作用使得其內(nèi)部海洋的咸水被噴射進太空。此外，土星最大的衛(wèi)星土衛(wèi)六也富含水，不過它們都是以地表堅冰的形式存在的。

環(huán)繞天王星和海王星的衛(wèi)星則記錄下了過去的地質(zhì)災害。天王星的衛(wèi)星天衛(wèi)五就展現(xiàn)出過往活動的跡象。雖然天王星的衛(wèi)星系統(tǒng)目前不具有類似木星系統(tǒng)的長期共振，但它們可能曾經(jīng)也發(fā)生，并且在消亡前也活躍過一段時間。

海王星最大的衛(wèi)星海衛(wèi)一也許是一顆被俘獲的柯伊伯帶天體。在其被俘獲的過程中可能經(jīng)歷了劇烈的加熱過程，在它的內(nèi)部可能具有液態(tài)水。在柯伊伯帶中還有大量的水冰圍繞太陽轉動，再往外還有彗星的巨大地盤——奧爾特云。

除了個別幾個外，放眼太陽系，到處都能看到水的蹤影。從這個角度來看，我們并不特殊。在整個宇宙中，水必定也會遍及行星系統(tǒng)。如果到處都有水，那距離出現(xiàn)生命還會遠嗎？

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水星北極有10億噸冰

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2012年11月29日，美國航空航天局發(fā)布消息稱，在水星北極的永久陰暗處可能儲存有10億噸冰。這顆離太陽最近的火熱的星球，因為沒有大氣層，熱量難以傳播，所以擁有太陽系最大的晝夜溫差，而在它終年不見陽光的北極，則一直保持著極度低溫，那兒藏有大量的冰。這些冰存在于水星永恒的陰暗角落，厚度從50厘米到20米。科學家猜測，水星的南極也存在冰，但是信息探測器還無法靠近那個區(qū)域以取得證據(jù)。這個探測器于2004年發(fā)射升空，2011年3月才到達水星的衛(wèi)星軌道，這是人類第一次如接近水星。當然，很少有人會覺得水星上有可能存在生命，因為那兒的環(huán)境是在是太嚴酷了。不過，該項目的負責人索羅門認為，這些探測數(shù)據(jù)對科學家揭示地球上生命形成的早期過程很有幫助，也許，人類是來自其他星球。

灶神星上也有水

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灶神星是小行星帶中的第二大天體，曾被認為極其干燥。然而，2012年夏天，美國航空航天局的“黎明”號探測器卻發(fā)現(xiàn)其赤道地區(qū)的氫含量超過正常無水巖石天體，這意味著灶神星上可能有水，初步估計，含水量達400ppm（即百萬分之一）。相關研究人員認為，一些更小的、富含水的小行星落到灶神星的表面，并給它帶來了水。

“黎明”號探測器于2012年9月5日離開灶神星軌道，如今正在向小行星帶中最大的天體谷神星前進。谷神星上也有水，一些科學家甚至推測，它可能擁有一個位于地下的咸咸的海洋。