有多少水深藏在太陽系？

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，火星在太陽系內大出風頭，每每有新發現，便是舉世矚目，尤其是發現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，尤其在太陽系外圍的天體中，水大面積存在。小行星帶、木星的幾個衛星、土星環及土星的衛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，為我們描繪出一張太陽系的水分布圖。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十億噸水冰。火星和木星之間的小行星帶有10%的成分是水。但在火星軌道以內的內太陽系卻并非如此：火星、金星、水星都僅有微量水存在。

水從哪里來

內太陽系行星獲得水的途徑有許多種。構成它們的原始物質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。“雪線”之外會比“雪線”之內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太陽系，由此把水帶到內太陽系的其他行星上。

持這一觀點的科學家認為，內太陽系形成于相對干燥的環境中，而外圍的小行星帶則包含了大量的水，其中多達10%的物質以含水礦物的形式出現。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域內，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域發育的，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，但物質分布十分均勻。這就要求小行星帶的質量必須很小。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形山內終年不見陽光，雷達在那里發現了存在水的跡象。在美國用觀測和傳感衛星撞擊月球南極的時候，也發現了那里有水存在的證據。

行星大氣中的氘氫之比可以告訴我們它曾經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現了高濃度的氘，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，因為在內太陽系中，水是占據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，金星曾經擁有海洋，因為它的氘氫比暗示，其過去的水量至少是現在的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。天文學家發現了火星兩極的冰冠，近來又發現了其干涸的河谷網絡以及曾經可能是淺海的大型盆地。火星車對火星巖石的分析顯示，在很久以前，火星上可能有長期存在的咸水湖泊。環火星探測器發現，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衛星也飽含水。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部。外太陽系中的許多衛星都處于這樣的共振中。

木星的衛星木衛二是地外海洋——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星也十分濕潤。木衛三和木衛四的巖質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所覆蓋。

在更遙遠的地方，水同樣占據著土星、天王星和海王星的衛星，其中土星的衛星土衛二上的噴泉是其擁有地下水的最直接證據。起初，科學家認為，這些噴泉源自淺湖，但現在有一些人相信，它們源自更深的水體。一種觀點認為，土衛二上的地質作用使得其內部海洋的咸水被噴射進太空。此外，土星最大的衛星土衛六也富含水，不過它們都是以地表堅冰的形式存在的。

環繞天王星和海王星的衛星則記錄下了過去的地質災害。天王星的衛星天衛五就展現出過往活動的跡象。雖然天王星的衛星系統目前不具有類似木星系統的長期共振，但它們可能曾經也發生，并且在消亡前也活躍過一段時間。

海王星最大的衛星海衛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歷了劇烈的加熱過程，在它的內部可能具有液態水。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。如果到處都有水，那距離出現生命還會遠嗎？

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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域以取得證據。這個探測器于2004年發射升空，2011年3月才到達水星的衛星軌道，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，這些探測數據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”號探測器卻發現其赤道地區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。