C从哪里来?

作者: 鲁超

来源: 科学大院

发布日期: 2021-05-07

本文探讨了地球上碳元素的来源及其在地球形成初期的稀缺性,揭示了碳元素在地球生命形成中的关键作用,以及小行星在运送碳元素和水到地球过程中的重要性。

大约在138亿年前,宇宙处于一种能量与密度极大,温度极高的状态。在大爆炸发生后,经过漫长的演化过程,便形成了今天我们见到的模样。宇宙大爆炸只制造了三、四种化学元素(氢、氦和锂,可能还有铍),之后更“重”的化学元素都来自“恒星元素加工厂”。一代、二代恒星通过核聚变、超新星爆炸将较轻的元素合成更重的元素。

(也有重元素来自双中子星合并)从这个角度出发,我们的太阳系、地球乃至地球生命的每个分子、每颗原子都来自它们的贡献,因此,“我们都是群星之子”。

根据目前的“凝结模型”理论,太阳系形成于约50亿年前的一团星云。由于地球距离太阳较近,属于一颗“内行星”,所以地球上较轻的物质都被太阳风“吹散”了。最终,地球表现为一颗岩石质的“类地行星”——以铁、氧、硅、镁四大元素为主,而氢、氦这两种宇宙间最常见的轻元素却很少。好在,氧元素帮我们在海洋里锁定了很多氢,才有了蓝色的海洋。否则,生命可能根本无从诞生了。

研究发现,在温度超过500K(约230℃)后,行星就难以束缚住碳元素,含碳气体开始大幅度向太空中散逸。在地球形成之初,内太阳系是一团炽热的“汤”,500K是一个很容易达到的温度。在这种情况下,地球上的碳显然有自己的想法——可以四处散逸、“升华”到太空里。这一点也被铁陨石中金属核的碳元素含量所证实。太阳系内,铁陨石大约形成于太阳系诞生后一百万年以内,因此,可将其视为原始地球化学成分的样品。

明尼苏达州大学地球与环境科学教授赫希曼(Hirschmann)在《美国国家科学院院刊》上发表了文章,指出地球形成之初的碳含量可能只有140ppm。

这一有趣的现象促使科学家对太阳系形成之初进行了深入研究,他们提出了一个叫做“烟尘线”的概念,在“烟尘线”内(靠近太阳),碳元素几乎没有保留,而在“烟尘线”外,碳元素可以保留相当的量。

经过计算,科学家们发现,在太阳形成之前,太阳系内主要以积聚为主,“烟尘线”相当远,地球也就根本无法保留下来多少碳元素。而当太阳“点亮”之后,太阳系内主要以辐射为主,“烟尘线”也内移到地球轨道之内,地球上可以开始积累碳元素。

问题来了,这么多的碳元素是从哪里来的呢?李洁教授的团队推断,地球上大部分的碳很可能直接从星际介质继承而来。在太阳系形成的最初一百万年内,会存在一系列的小行星,不断将“烟尘线”以外较远处的水和碳运送到地球。原来,在那个纷乱的时代,小行星这些“不速之客”的来袭,并不只是给地球带来一次次的撞击和灾难,更是带来了太阳系内宝贵的水和碳元素。

碳元素在行星上富集的过程很微妙。

一方面,碳元素特别容易形成气体物质,散逸到太空里。另一方面,二氧化碳又是一种最有名的温室气体,它会帮助星球锁定热量。如果地球上碳元素过多,就有可能像金星,温度长期处于460-480℃;而如果碳元素过少,就会类似火星,过于荒凉。从这个意义上来说,地球的位置真是完美,这是造物主的安排,还是人择原理?(简而言之,人择原理意在说明,正是人类的存在,才能解释我们这个宇宙的种种特性)

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