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地球缺水46億年前已注定

2012/08/12 | | 標籤:

既有大片的海洋,又有蜿蜒數百公里的大河,南北兩極還有巨型冰河,地球看起來太不像一個缺水的星球了。但其實不然,我們這個星球的質量僅只有不到1%是水,多虧了有些彗星和小行星在地球剛形成後不久便投奔向地球的懷抱中,地球上質量不到1%的一丁點水,恐怕還是彗星和小行星為我們帶來的伴手禮。

地球缺水的事實一直令天文學家費疑猜。按照過去標準模型的解釋,數十億年前,太陽系由一個以太陽為中心而繞行的原行星盤所形成,原行星盤由氣體和塵埃組成,在這個標準模型裡也同樣預估:我們的地球應該是個水成分很高的水世界。因為圍繞在太陽四周圍有一塊溫度夠低的區域,在那兒盤面上的一些東西因為冷凝結成冰,而地球的位置,不但就應該在那區塊中,形成地球的材質也應該是冰顆粒。換句話說,地球應該富含水。到底為什麼?我們的星球其實是這麼乾巴巴的呢?

地球為什麼比這個模型所預期的乾了那麼多呢?太空望遠鏡科學實驗室(STSI)的Rebecca Martin和Mario Livio兩位天文學家所率領的團隊最近將環繞在太陽周圍的一圈形成行星的殘骸物質吸積盤模型,重新做了一個新分析,提出了一個相當令人滿意的解釋。他們獲得的結果是,我們的地球是在所謂的「雪線」以內、一塊更乾更熱的區域裡、以岩質材料形成。今天,太陽系裡所謂的雪線的位置是在小行星帶中央,在火星和木星之間、一圈很像「碎石集中場」的地方,而超過所謂的「雪線」以外,陽光相對變弱,便不再能溶化原行星盤所殘餘的冰顆粒了。先前的吸積盤模型認為,45億年前,也就是最早地球成形的那時,雪線離太陽非常近。然而Rebecca Martin和Mario Livio的分析結果卻是:「雪線從來沒有遷徙到小於地球軌道裡面過」,這和標準吸積盤模型主張的結果不同不打緊,甚至研究員還認為雪線應該停留在離太陽遠遠的地方-遠到超過地球軌道以外,這才能合理解釋地球為什麼是一顆水不多的乾行星。事實上,新的模型還認為,包括水星、金星和火星這幾顆太陽系的內行星在內,同樣也都該是質地乾燥的行星才對。

這項研究已獲刊載於皇家天文學會月訊期刊。

讓我們再回到傳統模型的假設,在那裡:圍繞在太陽四周的原行星盤是處於完全電離的狀態(電離的意思是原子裡的電子被剝離),不斷地朝它的母恆星成漏斗狀輸送物質,盤的溫度會因此升高。雪線起初位在遠離恆星的地方,大約16億公里遠,經過一段時間,盤面物質告罄,溫度冷卻下來,將雪線朝向內側漸漸地吸引拖拉,在地球取得足夠物質並形成為一顆行星以前,雪線的遷徙足跡由外向內跨過地球軌道,跑到小於地球軌道以內的地方。

不過問題是,如果地球生成的時候,雪線的位置在地球軌道以內,換言之,地球是位在雪線外圈,那麼地球應該是一顆多冰的天體,就像天王星及海王星這些形成於雪線外的行星一樣,組成成分有百分之好幾十都是水。但是地球的水卻不多,這個麻煩很難解釋。

事實上新的突破成果正是因為這兩位研究員找上了傳統雪線遷徙模型的一個麻煩,研究才有了開始。因為他們想「環繞在年輕恆星四周的吸積盤應該是不會完全電離的才對,它們不應該和傳統的原行星盤模型一模一樣,因為它們的熱度和輻射都不足以電離整個行星盤。」

譬如像是白矮星和X射線源等這些天體,因為非常熱,它們可以釋放充分的能量來電離吸積盤,但是事實上年輕恆星卻既沒有足夠的輻射,而那些朝它不斷下落的物質,能量也不夠多到可以供應電離整個吸積盤所需的重量級「拳打腳踢」。

所以,要是吸積盤沒有被電離,物質被吸引穿過重重區域而朝向恆星遷徙的機制就不存在,這導致的結果是,環繞在恆星太陽四周的氣體和塵埃,既然不會向內移動,它們便在吸積盤上形成死亡區,一個典型的死亡區的範圍大約有0.1到好幾個AU大小(AU是地球和太陽間的距離,約等於1.5億公里,是一個基本的天文距離單位),它像栓塞一樣攔阻物質朝著靠近太陽的遷徙之路繼續前進,物質會在死亡區裡囤積,死亡區的密度也會漸漸增加,比方說,就好像演唱會時在等候進場管制的門打開之前,人潮塞爆了出入口處,是一樣的道理。

物質的密度藉由重力壓縮開始升溫,過程中,栓塞區的四周也受到加熱,含冰物質的水分因此被蒸發掉而變得很乾燥。地球就是生成在這個註定很乾的區域裡。原本謎題待解的標準模型在這樣的變動調整下,也就變得能夠清楚解釋地球為何並未形成一顆富含水分的星球了。

關於新模型,最後研究員附加了一條但書說明:改版的模型也許未必適用於所有年輕恆星的吸積盤。吸積盤的條件因恆星各種不同而有所差異,這就和世上許多其他事情一樣,如何拍板決定地球形成的最終結果?全由當時的各種機會決定了。(Lauren譯)

圖說:

這張鳥瞰圖用兩個盤狀圖說明46億年前原行星盤有著一個以初誕生的太陽為中心的結構。在盤中,太陽系大家庭的各個行星們因黏聚塵埃和冰粒而聚結成塊。

左右兩個模型之間的主要區別在於所謂雪線的位置,雪線是個分隔島,分出兩個性質互異的區域,一個溫暖乾燥,另一個冰冷而紊亂。

左側是原來標準的磁盤模型,地球形成於雪線外的冰冷區。根據這個模型,地球應該含有大量的水,因為形成地球的主要成分應該會是冰。然而,據估計,地球的水質量只有不到1%,向來令科學家百思不得解。

右圖這個原始行星盤中畫出了一個新模式,地球形成於雪線內一個乾燥的地區,雪線離太陽遠得多了。而這個模型也能夠解釋為什麼地球的屬性應該是乾燥的。右方這個模型所提供的新見解在我們前往銀河系去尋找類地行星而需要豐度估計時,可以好好派上用場。

資料來源:中研院天文網[2012.08.03]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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