海洋占地球表面积的七成左右,平均深度约为3700米。如此看来,地球上存在着数量庞大的海水。但是从整个地球来看,海水的重量不到地球整体重量的大约0.02%。所谓的“0.02%”是个几乎如误差般的数据。但令人感慨颇深的正是由于这“微量的”水所赐,我们人类才得以存在。
那么,除了地球表面,地球内部又有多少水存在呢?在大约2900千米的地球深处,是固体岩石构成的地幔层。在地幔的矿物里,已知微量的水以羟基(OH-)的形式被包含于晶体结构中,但对整个地幔中的存有量并不清楚。地幔中的水至少与海水等量,甚至数倍于海水。
地幔之下是“地核”。正如其名,地核是地球的中心部分,主要成分是铁和镍的合金。地核又分为两层:地幔正下方液态的“外核”(厚度约2200千米)和其内部固态的“内核”(半径约1300千米)。这些来自地球内部的信息,是对地震波进行详细分析后得出的结果。大规模的地震波能穿过地球内部传到地球的另一面,根据波的信息能够推测出地球的内部状态。用此方法还能够估测外核与内核的密度。
其结果显示,外核与内核包含许多比铁和镍还轻的元素。可能的元素有氢、碳、氧、硫、硅等等。但其中哪个元素属于主要的“杂质”,尚不明确。2014年,日本东京工业大学地球生命研究所的广濑敬教授的研究小组发表了如下内容的研究成果:将包含于地核的“杂质”氢的量换算成水,相当于现在地球海水的80倍。因此推测地球上存在的大量的水,其大部分由地核而来。
广濑教授通过实验模拟了地幔最下层的环境,实验确定了在130万个大气压及数千摄氏度的环境下,地幔的物质开始熔化成为液体的温度。结果表明,在地幔最下层,岩石在3600K开始熔化。K是“绝对温度”的单位,减273.15可以换算得出摄氏度。我们知道,由于地幔是固体,因此地幔最下层的温度至少低于3600K。并且与它相连接的外核最上层,应为相同温度。
由于外核为液体,构成外核的物质必须是在3600K以下为液态的物质。根据传统的估计,外核最上层的温度为4000K左右,与之相比,低了400K。一般来说,固体熔化成为液体的温度,若有“杂质”存在,熔点就会有下降的趋势。不过,导致外核温度下降至此的可能物质,被认为只能是氢。按此程序,广濑教授推导出了地核中被带入大量氢的结论。
另外,根据地震波的分析表明,外核的密度的推算值与铁镍合金相比低10%左右,因此估测出杂质氢的量为内核重量的0.6%。
这里的氢,在地球诞生之初的岩浆海洋中以水的成分和铁发生化学反应,作为氢化铁沉入地球中心部,因此被认为渗入到地核。由地核的含氢量推算出,最早存在于地球的水量为目前地球上海水的80倍。不过,曾经的地球似乎并没有这样一个海洋,其中充满了相当于现在海洋80倍的海水。或许水不是以液体形态而是作为水蒸气存在于大气中,也许被岩浆海洋吸收后渗入到地核了吧。
虽然对地球上水的起源尚不了解,但认为在地球诞生之初,被含有水蒸气的厚厚的大气覆盖着,经历了表面熔融的岩浆海洋的状态。岩浆海洋的深度虽不得而知,但据说熔化的深度超过了1000千米。岩浆吸收大气中的水蒸气,经过对流将水分子带到深处。还有一个说法是,在地球诞生之初,形成地球原材料的星子之中含有的铁,以金属形态沉入到岩浆海洋里。铁和氢在3万个大气压以上(相当于90千米的深度)的环境里,具有极易结合的特性。
因此在岩浆海洋中水和铁产生化学反应,合成为氢化铁和氧化亚铁。氢化铁在岩浆海洋中进一步下沉最终成为地核。如此一来,地核便含有大量的氢。另外,由于氧化亚铁溶于岩浆,因此几乎未能进入到地核。