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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

旨在向全国广大群众,特别是具有中等文化程度的广大青年,普及科学技术知识,繁荣科普创作,启迪思想,...

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水是地球的专利吗?茫茫宇宙水漫漫

2016-03-25 10:13:42

在很多人的印象里,地球也许是太阳系中唯一存在巨大水量的星体。在它5.1亿平方千米的表面积里,海洋覆盖了其中的71%,占据了3.6 亿平方千米,而陆地面积只占了29%

不过在最近几十年里,科学家结合多项研究结果证明,水的身份,已经从曾经的“稀缺之物”转变成了宇宙的基本成分,在许多地方都能寻觅到它的踪迹。2011年,天文学家在英仙座发现了一个喷发着巨大水流的遥远星体。据测算,其水流量相当于亚马孙河的1 亿倍,灌溉着周围的宇宙空间。在宇宙中的巨大尘埃云雾中也有水的成分,星际空间则处处都有自由移动的水分子,甚至还有那些在遥远恒星周围的“水行星”(表面全是水)。它们无不证明着:水的存在是宇宙中的普遍现象。

即便在我们所处的太阳系中,水的储备量也同样大得惊人。木星和土星某些卫星上的含水量之多令人难以想象,其中土卫二和木卫三的地下海水量很可能超过了地球全部海水量。而火星也曾存在过液态水,科学家估计,其存水量大大超过北冰洋。

宇宙中最大的“水库”也许位于奥尔特星云(Oort cloud)中,天文学家假设它是一个包围着太阳系的球体云团,其中布满了彗星。

 

古老之水

关于太阳系中水的来源,科学界一直众说纷纭。其中比较主流的有两种观点:一种认为水是在太阳系形成之时,由冰电离而成的;另一种则认为水原本就存在于太阳系诞生前的寒冷星云中。

来自美国密歇根大学天文系的科学家则为第二种观点提供了证据:他们发现,地球上超过50%的水可能早在太阳系诞生前就已生成。研究结果证实,太阳系中的水有部分来自于太阳系形成前的星际介质。这极有可能帮助我们解开水是如何及何时存在于太阳系中的谜团,并为我们在太阳系的其他星球上寻找水提供帮助。

 

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领导这项研究的伊尔莎·克里夫斯(Ilse Cliffs)博士指出:“在太阳系诞生初期的环境条件里,并不适合水分子的合成,这说明水只可能来自于富含化学元素的外部星云。更令人不可思议的是,这些冰在太阳系的诞生过程中幸存了下来。”

为了确定水的“年龄”,研究人员决定从氢的同位素氘入手,分析各种环境下形成的水中的氢和氘之间的比率。科学家构建了专门的计算机模型,来比对彗星、行星、陨石及地球海洋水中氘的丰度(相对含量)。他们发现,这些样本的比率均高于正常情况下太阳系中氘的比率。

 

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如果水是在寒冷的星际介质环境中形成的,那么氘对氢的丰度比就会较高,最高可达1%左右。倘若水是在太阳系形成时的较热环境中形成的,那么这个数值就会较低,只有0.002%左右。但无论是彗星、行星、陨石还是地球海洋,其丰度比的实际观测值都介于这两个极端之间,比如地球海洋中的两者丰度比是0.016%

研究人员又模拟了太阳诞生时的星际环境并研究了含氘重水的形成过程,结果发现太阳系本身形成重水的效率极其低下。如果没有来自星际介质的那部分水,我们根本无法解释行星、陨石及地球海洋中的氘氢丰度比。这只能说明一点:多出的那部分氘并非来源于太阳系,而是来自氘丰度更高的寒冷星际空间。

克里夫斯表示,在我们每天喝的水中,有一部分很有可能比太阳系还要“年长”。他们推测,在地球海洋中,大约有7%50%的水来自星际介质。而对彗星而言,这个比例很可能是14%100%

或许,宇宙中还存在着许多类似太阳系的系统,它们在星际介质的帮助下,同样具备了诞生生命的条件,人类极有可能会找到另一个孕育着生命的“地球”。

 

天上有颗水做的星

木卫三是围绕木星运转的一颗卫星,它的直径约为5300 千米,是太阳系中最大的卫星。其实,许多科学家都曾推测木卫三的冰盖下隐藏着一片咸水海洋。不过,来自美国宇航局加州喷气推进实验室的天体生物学家史蒂夫·万斯(Steve Vance)称:“我们在‘伽利略号’太空船以及哈勃太空望远镜传回的数据的帮助下,已经证实了这一猜测,这让我们对木卫三内部的海洋结构有了更贴近真实的认识。”

木卫三的海洋位于厚度约15 万米的冰盖下,深度约为10万米,是地球海洋平均深度的300 倍。它拥有十分巨大的水量,或许是地球海洋水量的25 倍。而且那里温度适宜,足以让其保持液状形态。

 

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由于拥有冰块和液态海洋,而且两者交错堆叠,因此,木卫三上的水形成了一种类似多层三明治的结构:顶层的冰覆盖了卫星的表面,下面是一层液态水,接着是第二层冰,其下还有一层液态水,最后在海底岩石上面,还有一层冰和水。

 

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木卫三和地球一样,也拥有一个流动性的富铁内核,这一内核的对流运动使它成为太阳系中已知的唯一拥有磁圈的卫星。在木卫三少量磁圈和木星更为庞大磁场的双重引力作用下,两条极光带出现在木卫三的高磁纬地区。在木星自转时,它的磁场会发生变化,进而引起木卫三的极光带出现晃动,但“动作幅度”并没有想象的那么大。借助计算机模型,科学家发现,正是木卫三表面下的一片咸水海洋在“抵抗”木星的磁场引力。

科学家猜测,海洋的盐分极有可能来自于某种硫酸镁盐。为此,他们还对木卫三内部的海洋进行了计算机建模,并在实验室中模拟了此类咸水海洋生成及运动的方式。虽然目前还没有确定这些盐分的来源,但研究人员表示,盐度会对海洋产生实质性的影响——如果盐分丰富,那么木卫三上的液态水就可以获得足够的密度,并沉降到底层。这也意味着液态水可以在岩石上面流动,从而提供适宜微生物生存的环境,这种构造大大提升了该星球上孕育生命的可能性。要知道,地球最初的生命形态正是在海底岩浆喷射口附近诞生的,这种类似的水与岩石的相互作用,或许也曾在木卫三上发生过。

木星作为太阳系中最有可能出现生命迹象的行星,一直受到科学家的高度关注。在欧洲空间局的木星系统探测任务中,“木星的冰卫星探测者”探测器尤为引人注目。该探测器计划于2022 年发射,预计于2030 年抵达木星轨道。而它的主要任务,就是研究木卫二、木卫三和木卫四这三颗地表下可能存在海洋的卫星,以证实它们表面是否含有潜在适合人居环境的液态水体,以及存在生命的可能性。

2012 5 2 日,欧洲空间局宣布将木星系统探测任务纳入其宇宙愿景科学计划。科学与机器人探索部门主任希门尼斯·卡涅特(JimenezCanete)教授表示:“这项宏伟计划是未来探索外太阳系的必经之路,其中包括两大重要主题:第一,行星形成和生命出现的条件是什么;第二,太阳系是如何运转的。该计划必将成为一个成果丰富且令人激动的科学项目。”

 

冰与火之歌

火星,是在科学家眼里极有可能孕育生命的另一颗行星。近20 年来,人类利用高分辨成像、光谱、质谱、雷达、中子分析等多种手段探测火星,并获得了一系列数据。结果表明,早期的火星表面确实曾有水,而且还存在过适宜生命繁衍的环境。

美国科学家通过夏威夷凯克天文台(W.M. Keck)等地的地面望远镜,对火星进行了长达6 年的观测。他们推测,大约在43 亿年前,这颗行星还拥有很丰富的液态水资源。由于火星表面的起伏趋势,导致很多河流由南向北流动,并汇聚成海洋,占据了火星北半球几乎一半的面积。这些水的总体积估计超过2000 万立方千米,而北冰洋也仅有1700 万立方千米而已。此外,火星海洋的局部水深可能超过1.6 千米。假设让液态水覆盖整个火星表面,其平均水深可达137 米。

可是到了3 亿年后,也就是40 亿年前,火星上水天一色的美景因为某种原因开始慢慢消失。其中,超过87%的液态水通过蒸发逃逸到太空中,其余的水也以冰的形态被封存在火星两极。正在我们编辑此稿的2015 9 28 日,美国宇航局发布消息确认,由火星勘测轨道飞行器(MRO)提供的强有力的数据表明,目前在火星表面仍存在流动的液态水。NASA 科学家里奇·楚雷克介绍说:“在火星勘测轨道飞行器(MRO)对火星表面的探索持续了长达数个火星年,这为我们提供了宝贵的能够反映火星地表结构细节的数据,其中就包括根据季节变化的黑色地质线条结构,这是我们确定火星表面存在液态水的重要证据。”NASA 科学任务主管约翰·格伦斯菲尔德说:“我们对火星表面生命的研究,一直在‘追随着水的踪迹’进行。现在,我们终于可以确认,火星表面存在着潺潺流水。这是非常重要的发现。”

虽然直到现在,人类发射到火星的探测器都还没有找到其存在生命的直接证据。但科学家又想到了另一种寻找生命线索的途径——来自火星的陨石。目前,地球上被国际陨石学会承认并命名的火星陨石共有120 多块!

去年,由中国、德国、瑞士和日本科学家组成的研究团队,对2011 年坠落在摩洛哥沙漠中的一块灰黑色火星陨石进行了研究,国际陨石学会根据当地地名将其命名为“提森特”。虽然这块在宇宙中遨游了70万年的陨石只有拇指大小,6 克重,但却是目前地球上最“新鲜”的火星陨石,几乎无异于直接从火星上采样而来,非常珍贵。

利用激光拉曼光谱仪和化学分析,科学家在“提森特”里检测出10 多颗碳颗粒。它们非常细小,还不到头发丝的十分之一,成分为干酪根,类似于煤,是有机质。此外,研究人员还从火星陨石中发现了轻碳同位素增多的现象,这是火星上可能存在过生命的有力证据。领导这项研究的中科院地质与地球物理所研究员林杨挺解释说:“地球上的生物作用会使有机物中轻碳同位素变多,古生物学家就是通过古老岩石中碳同位素的变化来判断它是否与生命有关。”

此次研究活动在科学界也引起了广泛关注,不少科学家表示,这是人类自探测火星以来,证明火星可能曾有生命存在的最令人鼓舞的科学论据。

也许在人类眼里,地球曾经的标签是“唯一”。可如今,随着科学家在宇宙中发现越来越多的生命之源——水,水已不再是地球的专利。不过,未知与神秘不也正是宇宙和生命的魅力所在吗?

 

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探索木星系统,美国宇航局绝不落后

20157月,美国宇航局也对外宣布了他们针对木星系统的探索计划,这次他们准备向木星发送一个庞大的微型机器人舰队。目前,美国宇航局已邀请了全美10所高校参与木星微型机器人舰队的研发。此次每个微型机器人的任务都非常单一,因此造价很低,性价比相当高。






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