大多数天文学家认为小行星将水带到地球早期。但是最新的研究表明它可能来自离地球更近的地方。
小行星本可以携带水，锁在矿物质中，运送到一个年轻的地球，在我们星球的早期阶段通过撞击沉积它。但这不是我们水世界唯一可能的解释。——罗恩.米勒天文学
地球的水源一直是个谜； Meech自己一直试图解决它至少20年。正如格拉斯哥大学的Lydia Hallis所说，大多数研究都集中在研究制造水的氢的各种同位素 。其中一种是重水，一种含有氘的水，一种氢的同位素，其核包含一个质子和一个中子。普通氢缺乏中子，因此含氘的水比普通水重。
通过模拟早期太阳系的条件，研究人员可以计算出行星形成时重水与普通水的比例。在地球上，观测到的比率高于年轻太阳系中的比率，导致许多天文学家怀疑水是进口的，因为该比率应随时间保持不变。今天，大多数科学家认为小行星将水带到年轻干燥的地球上。
Meech对这个想法持怀疑态度，因为测量地球的氘 - 氢（D / H）比率，它与重水与正常水的比例有关，通常基于当今海洋的成分。具有大量重水的储层具有高D / H比，而缺乏氘的储层具有较低的比率。
Karen Meech不会花很多时间在地球的岩石上挖掘。作为一名天文学家，她通常在望远镜后面，调查彗星并寻找有关地球如何获取水的提示。但是，2004年前往冰岛的实地考察最终使她在近十年后匆匆赶往夏威夷的陨石坑，寻找有关帮助这个星球生命的液体的线索。
在那次重大的冰岛之旅中，Meech看到地热区域的天然气滚滚而出。导游告诉小组不要担心 - 这只是水。“然后她说，'这可能是原始的水”Meech说。
地球由围绕我们婴儿太阳的星云的尘埃和气体形成。这位艺术家的概念展示了一颗年轻恒星周围的原行星盘。圆盘包含水的各个组成部分 - 氢和氧 - 以及冰和蒸汽形式的水。——NASA / JPL-加州理工学院
但是地球的比例应该会随着时间而改变。像大多数行星一样，地球可能会失去一些大气层到空间，而较轻的氢气比较重的氢气更容易从地球上剥离。地质过程，例如湖泊和海洋等水库的水蒸发，也可以改变生物反应的比例，因为较轻的同位素在代谢过程中的使用方式不同于较重的同位素。与新行星形成时相比，所有这些过程都会使现代地球的D / H比率更高。
当Meech听说原始水可以从冰岛的表面喷出时，她对研究最早的水的机会感到兴奋。但在与地质学家聊天后，她了解到这些羽毛实际上来自最近的活动 - 毕竟它们并不是原始的。然而，地质学家透露，从地幔中提取的一些岩石物质确实含有少量水。这种材料可能永远不会与表面上的东西混合在一起，可能代表地球的早期水。没有人研究过这些样品的D / H比，因为这样做的技术是新的。但Meech所在的夏威夷大学刚刚购买了一种可能能够完成这项工作的新型离子微探针。
重水或D2O含有氘代替氢。氘是氢的同位素，其核包含一个质子和一个中子，而正常氢仅包含质子。样本中重水与普通水的比例为科学家提供了有关它如何形成的信息 - 信息研究人员现在正试图解释地球水的起源。——天文学：Roen Kelly
地球和其余的行星形成于太阳诞生之余留下的一窝气体内。这种被称为太阳星云的材料包含了构建行星的所有元素，并且这些成分随着与太阳的距离而变化。恒星附近的区域太温暖，以至于某些材料不能像冰一样聚结，而是形成在太阳系的外部。在地球周围，氢和其他元素只能作为气体粘附在周围。由于星云的寿命很短，大多数科学家怀疑地球在逃逸到太空之前没有足够的时间收集这些气体。这个想法，加上地球的高D / H比率，使许多人相信地球的水必须在地球冷却后到达。
当欧洲乔托号飞船于1986年访问哈雷彗星时，研究人员发现其重水含量高于地球早期太阳系中的天然气。出现了一个新理论：彗星本可以将水带到地球早期。行星形成后，巨大的身体将继续搅动，木星等巨大的行星向内太阳系投掷一些物质。在外太阳系中形成的冰冷天体可能会在地球上被抛弃，因为巨大的水负荷影响下降。
但随着其他任务探测到更多的彗星，很明显重水的数量并不一致。事实上，大多数彗星的重水比都太高，无法承担地球上的水滴。另一个罪魁祸首必须负责。
彗星不是天然气巨头抛出的唯一东西。由于木星在太阳系历史的早期掠过小行星带，它将岩石碎片分散在各个方向。像彗星一样，一些物质在地球上下雨。与彗星不同，小行星不像冰一样锁住水。相反，它们将其成分 - 氢和氧 - 捕获在矿物质中。此外，小行星中的重水含量更接近地球的流动比率。这就是为什么小行星是我们星球水源的主要嫌疑人。
当地球形成时，生长星球周围的氢气被岩石和矿物捕获。当富含氢和富氧的矿物质因地幔的热量而融化时，所产生的水可以从行星的地壳喷出。
大部分地幔都是岩石，大量的氢和氧可能被困在里面。研究人员估计，地幔内可能存在多达10个海洋的水。
喷发的火山通常会从地幔的上部带来岩浆，该地区更接近地表。这种材料更容易被来自地壳的氢污染，其含有与今天海洋中测量的相同的更高D / H比。更多的原始样本位于地幔的更远处。Peslier说，尽管那里很热，但只有不到20％的地幔岩石融化了。当熔化的材料喷发时，它会对坚硬的岩石产生剧烈的影响。
“如果[熔岩]足够快，足够残忍，它们有时会破坏它们沿途穿越的部分，”Peslier说。她描述了结果 - 称为地幔捕虏体，作为嵌入黑色熔岩中的亮绿色橄榄石和黑色辉石的晶体。
如果富含氢的橄榄石晶体在地球形成期间被足够早地捕获并且对于地球45亿年的寿命保持不受干扰，那么它们可以揭示重水和普通水的古老比例，如果它们发生变化那么多。微小的时间胶囊可以解决有关地球水源的长期问题。
天文学家曾经认为彗星，如哈雷彗星（上图），可能是地球水的来源。但是这些冰冷的身体携带的重水（D2O）的量与地球上的重量不相符。然后研究人员转向富含水的小行星，例如这个艺术家的印象（底部），作为更可能的水源。
虽然Meech对太阳系中的水很了解，但她并不熟悉地球上的岩石。她在当时的博士后学生哈利斯（Hallis）工作，领导地质挖掘工作，寻找正常和重水的早期指纹。哈利斯对在夏威夷和加拿大巴芬岛沿岸的陨石坑争夺线索的机会很感兴趣。巴芬是少数几个可以进入地球深层地幔的地方之一。形成岛屿的火山爆发链也创造了格陵兰岛和冰岛。“巴芬岛样本是我们对深层地幔最原始的例子，”哈利斯说。
哈利斯还收到了唐弗朗西斯收集的样本，唐弗朗西斯现在是蒙特利尔麦吉尔大学的名誉教授，来自加拿大东海岸和巴芬岛西北部的一个名叫Padloping的无人居住的小岛。根据Hallis的说法，Francis在1985年收集了他的第一个样本.Paploping岛的隔离意味着研究人员不得不乘船前往那里并建立营地。陡峭的悬崖使得落下的岩石充足，弗朗西斯从海滩中拾取了最好看的矿物质。2004年的回程获得了更多样本。“我真的想做的事情就是回到[Padloping Island]，”Hallis说道。雄伟的悬崖使收集样品变得极具挑战性，但如果她能从陡峭的悬挑中获得一些，她将能够确定材料何时何地浮出水面。
随着保存完好的样品，哈利斯和她的同事们开始系统地摧毁它们。将岩石研磨成沙状粉末。使用微探针，科学家们用颜色对封闭的晶体进行分类。
Meech帮助对晶体进行分类。“我发现很难操纵那些微小的沙子而不会将它们洒在地板上，”她懊悔地承认道。
部分过程涉及确保样品从地幔而不是地壳中剥离，因为火山羽流向上爆发。之前对巴芬岛矿物的研究表明它们来自地幔的深处，矿物学证据表明，哈利斯在实验室中的样本很可能是原始的。这些微小的玻璃珠部分受到橄榄石晶体的保护，橄榄石晶体可以作为屏障，一旦岩石浮出水面就可以防止风化。即便如此，它们并非完全完美。
“即使我们拥有最原始的样本，它也不是100％完全深的地幔，”哈利斯说。“它总是会在那里加入一些[上部]地幔，只是因为它必须通过这么多的地幔才能到达水面。”
虽然巴芬岛的样本没有地壳污染，但团队并不是很幸运，他们的大学附近聚集了岩石。夏威夷的矿物受到风化的影响，受地表水的影响很大，很可能是下雨。污染使这些样品不会露出原始水的味道。
加拿大巴芬岛附近的悬崖让研究人员可以获取地球深层地幔中的物质，这些物质可能包含我们星球最早的水的指纹。——Timkal / Wikimedia Commons
随着地球水的最终指纹最终被采集，Meech和Hallis开始将它们与其他样本进行比较。哈利斯预计观测到的重水含量更接近被认为向年轻行星供水的陨石。相反，与普通水相比，样品的重水量减少约25％ - 远低于预期。
“这有点意外，”哈利斯说。“这表明碳质球粒陨石（一类陨石）并不是地球的水源。”虽然陨石可能提供了一些地球的水，但她并不认为它们能够提供所有这些水。
样本表明的是地球水的来源？哈利斯怀疑它来自太阳星云。虽然许多科学家认为这个星云会在600万年内消散 - 早在我们的星球长得足够大以捕获它之前 - 她指出，已发现几颗年轻恒星周围的气体长达1000万年。这将使最终建造地球的微小岩石有足够的时间将氢和氮等元素结合到它们的结构中。哈利斯说，太阳系中的氮和氢往往会相互影响 - “如果你有一定的氢气味，你会有一定的氮气味，”她说。
新墨西哥大学的研究员扎卡里·夏普（Zachary Sharp）也怀疑地球的D / H比率随着时间的推移而变化，“也许你在地球上仍然拥有保留这种初始氢源的口袋。”
哈利斯的结果并不是唯一一个表明地球可能从一开始就汲取大部分水的结果。虽然月球曾被认为是完全干燥，但最近对阿波罗月亮岩石的重新检查已经发现了水的痕迹。月球形成的主要理论是它是在火星大小的物体撞击年轻地球时产生的。表面上的液态水会蒸发，导致许多人得出结论认为地球必须从其他地方获取更多的水。但月球样本的低D / H比率表明，月球可以收集锁定在其内部的矿物质中的水，这个区域既没有彗星也没有小行星可能被污染。后来的火山爆发将这种物质投向地表，由宇航员返回地球。
为什么这很重要？霍利斯说，碰撞后的高温与太阳星云中的高温相似。这有助于说明即使在炎热的早期太阳系中，挥发物和水也会增加。
但是氢有重而轻的味道，所以这是不是意味着这个比例可以在任何一个方向上改变？根据夏普的说法，并没有真正重新认识到大部分地球的水可能是从星云中收集而不是后来的碰撞。“增加样品的同位素比例很容易，但很难降低它们，”他说。那是因为较轻的氢气更容易去除。例如，氢气更容易上升到大气顶部，太阳风可以将其剥离。较重的氘往往更接近地面。
小行星也提供了暗示地球的水可能来自产生行星的气体。对大型小行星灶神星的陨石的研究揭示了类似于巴芬岛估计的重水比例。
研究维斯塔的亚利桑那州立大学的Alice Stephant说：“现在我们在地球，月球和灶神星以及小行星的水库中找到了低值，现在也许[星云]的故事是可能的。”
Hallis，Meech及其同事揭示的较低D / H比率尚未被广泛接受。华盛顿卡内基研究所（Carnegie Institution of Washington）的宇宙化学家康纳亚历山大（Conel Alexander）表示，其他研究人员没有立即改变他们对地球水源的看法有两个原因。
反对结果的一个论点源于霍利斯如何推断出她的测量中的同位素和元素丰度; 亚历山大说，一些科学家不同意最终数字如何使用她的方法发挥作用。另一个问题是Hallis如何解释她的结果。“丽迪娅的解释是独一无二的，”亚历山大说。“可能还有其他方法可以将氢气加入到她测量的熔融夹杂物中。”
亚历山大的主要关注源于这样一个事实，即只有一个岩石来源 - 巴芬岛样本 - 被用来估算整个地球的古老比例。“地球的大部分可能有完全不同的成分，海洋岛屿的玄武岩可能有些奇怪，”他说。他希望其他科学家能够跟随Hallis的领导并测量各种深地幔羽流的D / H比。
哈利斯已准备好自己前往帕德连布岛旅行，以收集更多样本。她想做的一件事不仅是研究所涉及的氢气，还要研究氮气。但分析样品中的氮比追捕氢更困难，部分原因是这些样品中的氮含量甚至比氢少。测量氮还需要能够具有非常高精度的仪器。Hallis表示，它正在推动当前技术的极限。