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45亿年前更早了吧。
然而，英国开放大学的Greenwood及其同事们通过测量地球和月球的岩石样本，发现地球上的大部分水可能在45亿年前就存在了，这一结果发表于3月28日的《科学·进展》[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？这是按照月球的“大撞击”起源假说，月球是45亿年前一颗火星大小的天体“忒亚”撞上了“雏形”地球产生的碎屑物质重新聚集起来形成的。
地月起源 “大撞击” 假说假想图。来源：NASA
那么问题就来了，如果是这样的话，月球上的物质在化学成分上应该更接近“忒亚”而不是地球对吧。也就是说，地月的成分到底像不像，这是大撞击假说是否成立的一个关键点。如果成分对不上，那“大撞击”假说就需要打补丁才行了。
那么这个“成分”可太多了，其中一样是科学家们尤其关注的，那就是氧同位素含量。
也就是说，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。
于是，英国开放大学的Greenwood及其同事们又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12 ppm小得多，但也不止1 ppm那么小。什么意思呢？就是说，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4 ppm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。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。改编自：Nature News [2]
这一结果还产生了一个“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，而这些新加入的氧元素，也改变了地球岩石的氧同位素比例。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雏形地球上了。
不过这个结论也不是首次提出了，德国明斯特大学的两位行星科学家在也通过对比地球和石陨石中钌同位素异常，提出后增薄层并不是地球上水和挥发物的主要来源[3]，也就是说两者虽然用了不同的方法，但得到了一致的结论。
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？
参考
[1] Greenwood, R. C., Barrat, J. A., Miller, M. F.,Anand, M., Dauphas, N., Franchi, I. A., ... & Starkey, N. A. (). Oxygenisotopic evidence for accretion of Earth’s water before a high-energy Moon-forming giant impact. Science advances, 4(3), eaao5928.
[2] Kleine, T. (). Geoscience: Earths patchy late veneer. Nature, 477(7363), 168.
[3] Fischer-Gdde, M., & Kleine, T.(). Ruthenium isotopic evidence for an inner Solar System origin of thelate veneer. Nature, 541(7638), 525.
