大多數天文學家認為小行星將水帶到地球早期。但是最新的研究表明它可能來自離地球更近的地方。
小行星本可以攜帶水，鎖在礦物質中，運送到一個年輕的地球，在我們星球的早期階段通過撞擊沉積它。但這不是我們水世界唯一可能的解釋。——羅恩.米勒天文學
地球的水源一直是個謎； Meech自己一直試圖解決它至少20年。正如格拉斯哥大學的Lydia Hallis所說，大多數研究都集中在研究製造水的氫的各種同位素 。其中一種是重水，一種含有氘的水，一種氫的同位素，其核包含一個質子和一箇中子。普通氫缺乏中子，因此含氘的水比普通水重。
通過模擬早期太陽系的條件，研究人員可以計算出行星形成時重水與普通水的比例。在地球上，觀測到的比率高於年輕太陽系中的比率，導致許多天文學家懷疑水是進口的，因為該比率應隨時間保持不變。今天，大多數科學家認為小行星將水帶到年輕乾燥的地球上。
Meech對這個想法持懷疑態度，因為測量地球的氘 - 氫（D / H）比率，它與重水與正常水的比例有關，通常基於當今海洋的成分。具有大量重水的儲層具有高D / H比，而缺乏氘的儲層具有較低的比率。
Karen Meech不會花很多時間在地球的岩石上挖掘。作為一名天文學家，她通常在望遠鏡後面，調查彗星並尋找有關地球如何獲取水的提示。但是，2004年前往冰島的實地考察最終使她在近十年後匆匆趕往夏威夷的隕石坑，尋找有關幫助這個星球生命的液體的線索。
在那次重大的冰島之旅中，Meech看到地熱區域的天然氣滾滾而出。導遊告訴小組不要擔心 - 這只是水。“然後她說，'這可能是原始的水”Meech說。
地球由圍繞我們嬰兒太陽的星雲的塵埃和氣體形成。這位藝術家的概念展示了一顆年輕恆星周圍的原行星盤。圓盤包含水的各個組成部分 - 氫和氧 - 以及冰和蒸汽形式的水。——NASA / JPL-加州理工學院
但是地球的比例應該會隨著時間而改變。像大多數行星一樣，地球可能會失去一些大氣層到空間，而較輕的氫氣比較重的氫氣更容易從地球上剝離。地質過程，例如湖泊和海洋等水庫的水蒸發，也可以改變生物反應的比例，因為較輕的同位素在代謝過程中的使用方式不同於較重的同位素。與新行星形成時相比，所有這些過程都會使現代地球的D / H比率更高。
當Meech聽說原始水可以從冰島的表面噴出時，她對研究最早的水的機會感到興奮。但在與地質學家聊天后，她瞭解到這些羽毛實際上來自最近的活動 - 畢竟它們並不是原始的。然而，地質學家透露，從地幔中提取的一些岩石物質確實含有少量水。這種材料可能永遠不會與表面上的東西混合在一起，可能代表地球的早期水。沒有人研究過這些樣品的D / H比，因為這樣做的技術是新的。但Meech所在的夏威夷大學剛剛購買了一種可能能夠完成這項工作的新型離子微探針。
重水或D2O含有氘代替氫。氘是氫的同位素，其核包含一個質子和一箇中子，而正常氫僅包含質子。樣本中重水與普通水的比例為科學家提供了有關它如何形成的信息 - 信息研究人員現在正試圖解釋地球水的起源。——天文學：Roen Kelly
地球和其餘的行星形成於太陽誕生之餘留下的一窩氣體內。這種被稱為太陽星雲的材料包含了構建行星的所有元素，並且這些成分隨著與太陽的距離而變化。恆星附近的區域太溫暖，以至於某些材料不能像冰一樣聚結，而是形成在太陽系的外部。在地球周圍，氫和其他元素只能作為氣體粘附在周圍。由於星雲的壽命很短，大多數科學家懷疑地球在逃逸到太空之前沒有足夠的時間收集這些氣體。這個想法，加上地球的高D / H比率，使許多人相信地球的水必須在地球冷卻後到達。
當歐洲喬託號飛船於1986年訪問哈雷彗星時，研究人員發現其重水含量高於地球早期太陽系中的天然氣。出現了一個新理論：彗星本可以將水帶到地球早期。行星形成後，巨大的身體將繼續攪動，木星等巨大的行星向內太陽系投擲一些物質。在外太陽系中形成的冰冷天體可能會在地球上被拋棄，因為巨大的水負荷影響下降。
但隨著其他任務探測到更多的彗星，很明顯重水的數量並不一致。事實上，大多數彗星的重水比都太高，無法承擔地球上的水滴。另一個罪魁禍首必須負責。
彗星不是天然氣巨頭拋出的唯一東西。由於木星在太陽系歷史的早期掠過小行星帶，它將岩石碎片分散在各個方向。像彗星一樣，一些物質在地球上下雨。與彗星不同，小行星不像冰一樣鎖住水。相反，它們將其成分 - 氫和氧 - 捕獲在礦物質中。此外，小行星中的重水含量更接近地球的流動比率。這就是為什麼小行星是我們星球水源的主要嫌疑人。
當地球形成時，生長星球周圍的氫氣被岩石和礦物捕獲。當富含氫和富氧的礦物質因地幔的熱量而融化時，所產生的水可以從行星的地殼噴出。
大部分地幔都是岩石，大量的氫和氧可能被困在裡面。研究人員估計，地幔內可能存在多達10個海洋的水。
噴發的火山通常會從地幔的上部帶來岩漿，該地區更接近地表。這種材料更容易被來自地殼的氫汙染，其含有與今天海洋中測量的相同的更高D / H比。更多的原始樣本位於地幔的更遠處。Peslier說，儘管那裡很熱，但只有不到20％的地幔岩石融化了。當熔化的材料噴發時，它會對堅硬的岩石產生劇烈的影響。
“如果[熔岩]足夠快，足夠殘忍，它們有時會破壞它們沿途穿越的部分，”Peslier說。她描述了結果 - 稱為地幔捕虜體，作為嵌入黑色熔岩中的亮綠色橄欖石和黑色輝石的晶體。
如果富含氫的橄欖石晶體在地球形成期間被足夠早地捕獲並且對於地球45億年的壽命保持不受干擾，那麼它們可以揭示重水和普通水的古老比例，如果它們發生變化那麼多。微小的時間膠囊可以解決有關地球水源的長期問題。
天文學家曾經認為彗星，如哈雷彗星（上圖），可能是地球水的來源。但是這些冰冷的身體攜帶的重水（D2O）的量與地球上的重量不相符。然後研究人員轉向富含水的小行星，例如這個藝術家的印象（底部），作為更可能的水源。
雖然Meech對太陽系中的水很瞭解，但她並不熟悉地球上的岩石。她在當時的博士後學生哈利斯（Hallis）工作，領導地質挖掘工作，尋找正常和重水的早期指紋。哈利斯對在夏威夷和加拿大巴芬島沿岸的隕石坑爭奪線索的機會很感興趣。巴芬是少數幾個可以進入地球深層地幔的地方之一。形成島嶼的火山爆發鏈也創造了格陵蘭島和冰島。“巴芬島樣本是我們對深層地幔最原始的例子，”哈利斯說。
哈利斯還收到了唐弗朗西斯收集的樣本，唐弗朗西斯現在是蒙特利爾麥吉爾大學的名譽教授，來自加拿大東海岸和巴芬島西北部的一個名叫Padloping的無人居住的小島。根據Hallis的說法，Francis在1985年收集了他的第一個樣本.Paploping島的隔離意味著研究人員不得不乘船前往那裡並建立營地。陡峭的懸崖使得落下的岩石充足，弗朗西斯從海灘中拾取了最好看的礦物質。2004年的回程獲得了更多樣本。“我真的想做的事情就是回到[Padloping Island]，”Hallis說道。雄偉的懸崖使收集樣品變得極具挑戰性，但如果她能從陡峭的懸挑中獲得一些，她將能夠確定材料何時何地浮出水面。
隨著保存完好的樣品，哈利斯和她的同事們開始系統地摧毀它們。將岩石研磨成沙狀粉末。使用微探針，科學家們用顏色對封閉的晶體進行分類。
Meech幫助對晶體進行分類。“我發現很難操縱那些微小的沙子而不會將它們灑在地板上，”她懊悔地承認道。
部分過程涉及確保樣品從地幔而不是地殼中剝離，因為火山羽流向上爆發。之前對巴芬島礦物的研究表明它們來自地幔的深處，礦物學證據表明，哈利斯在實驗室中的樣本很可能是原始的。這些微小的玻璃珠部分受到橄欖石晶體的保護，橄欖石晶體可以作為屏障，一旦岩石浮出水面就可以防止風化。即便如此，它們並非完全完美。
“即使我們擁有最原始的樣本，它也不是100％完全深的地幔，”哈利斯說。“它總是會在那裡加入一些[上部]地幔，只是因為它必須通過這麼多的地幔才能到達水面。”
雖然巴芬島的樣本沒有地殼汙染，但團隊並不是很幸運，他們的大學附近聚集了岩石。夏威夷的礦物受到風化的影響，受地表水的影響很大，很可能是下雨。汙染使這些樣品不會露出原始水的味道。
加拿大巴芬島附近的懸崖讓研究人員可以獲取地球深層地幔中的物質，這些物質可能包含我們星球最早的水的指紋。——Timkal / Wikimedia Commons
隨著地球水的最終指紋最終被採集，Meech和Hallis開始將它們與其他樣本進行比較。哈利斯預計觀測到的重水含量更接近被認為向年輕行星供水的隕石。相反，與普通水相比，樣品的重水量減少約25％ - 遠低於預期。
“這有點意外，”哈利斯說。“這表明碳質球粒隕石（一類隕石）並不是地球的水源。”雖然隕石可能提供了一些地球的水，但她並不認為它們能夠提供所有這些水。
樣本表明的是地球水的來源？哈利斯懷疑它來自太陽星雲。雖然許多科學家認為這個星雲會在600萬年內消散 - 早在我們的星球長得足夠大以捕獲它之前 - 她指出，已發現幾顆年輕恆星周圍的氣體長達1000萬年。這將使最終建造地球的微小岩石有足夠的時間將氫和氮等元素結合到它們的結構中。哈利斯說，太陽系中的氮和氫往往會相互影響 - “如果你有一定的氫氣味，你會有一定的氮氣味，”她說。
新墨西哥大學的研究員扎卡里·夏普（Zachary Sharp）也懷疑地球的D / H比率隨著時間的推移而變化，“也許你在地球上仍然擁有保留這種初始氫源的口袋。”
哈利斯的結果並不是唯一一個表明地球可能從一開始就汲取大部分水的結果。雖然月球曾被認為是完全乾燥，但最近對阿波羅月亮岩石的重新檢查已經發現了水的痕跡。月球形成的主要理論是它是在火星大小的物體撞擊年輕地球時產生的。表面上的液態水會蒸發，導致許多人得出結論認為地球必須從其他地方獲取更多的水。但月球樣本的低D / H比率表明，月球可以收集鎖定在其內部的礦物質中的水，這個區域既沒有彗星也沒有小行星可能被汙染。後來的火山爆發將這種物質投向地表，由宇航員返回地球。
為什麼這很重要？霍利斯說，碰撞後的高溫與太陽星雲中的高溫相似。這有助於說明即使在炎熱的早期太陽系中，揮發物和水也會增加。
但是氫有重而輕的味道，所以這是不是意味著這個比例可以在任何一個方向上改變？根據夏普的說法，並沒有真正重新認識到大部分地球的水可能是從星雲中收集而不是後來的碰撞。“增加樣品的同位素比例很容易，但很難降低它們，”他說。那是因為較輕的氫氣更容易去除。例如，氫氣更容易上升到大氣頂部，太陽風可以將其剝離。較重的氘往往更接近地面。
小行星也提供了暗示地球的水可能來自產生行星的氣體。對大型小行星灶神星的隕石的研究揭示了類似於巴芬島估計的重水比例。
研究維斯塔的亞利桑那州立大學的Alice Stephant說：“現在我們在地球，月球和灶神星以及小行星的水庫中找到了低值，現在也許[星雲]的故事是可能的。”
Hallis，Meech及其同事揭示的較低D / H比率尚未被廣泛接受。華盛頓卡內基研究所（Carnegie Institution of Washington）的宇宙化學家康納亞歷山大（Conel Alexander）表示，其他研究人員沒有立即改變他們對地球水源的看法有兩個原因。
反對結果的一個論點源於霍利斯如何推斷出她的測量中的同位素和元素丰度; 亞歷山大說，一些科學家不同意最終數字如何使用她的方法發揮作用。另一個問題是Hallis如何解釋她的結果。“麗迪婭的解釋是獨一無二的，”亞歷山大說。“可能還有其他方法可以將氫氣加入到她測量的熔融夾雜物中。”
亞歷山大的主要關注源於這樣一個事實，即只有一個岩石來源 - 巴芬島樣本 - 被用來估算整個地球的古老比例。“地球的大部分可能有完全不同的成分，海洋島嶼的玄武岩可能有些奇怪，”他說。他希望其他科學家能夠跟隨Hallis的領導並測量各種深地幔羽流的D / H比。
哈利斯已準備好自己前往帕德連布島旅行，以收集更多樣本。她想做的一件事不僅是研究所涉及的氫氣，還要研究氮氣。但分析樣品中的氮比追捕氫更困難，部分原因是這些樣品中的氮含量甚至比氫少。測量氮還需要能夠具有非常高精度的儀器。Hallis表示，它正在推動當前技術的極限。