地球在「漏氣」!地球內部封存了宇宙早期太陽系的「遺產」,悄悄泄漏到宇宙中

地球有引力和磁場,能夠保護表面的大氣層和水分等物質,防止它們逃逸到太空。多虧有了這樣的機制,生命才能夠在這里被孕育,最終進化出人類。

(圖片說明:地核在漏氣)

不過最近,科學家們發現,地球正在悄悄地泄漏著一種氣體。這種氣體不是來自大氣層,而是來自地球的核心處。它的泄漏量也不大,但由于「身份」特殊,所以引起了科學家們的高度關注,這甚至有可能告訴我們一段關于地球的遙遠歷史。這種氣體的組成元素,叫做氦-3。

我們知道,氦是一種稀有氣體元素,它也是化學元素周期表中排在第二的元素。通常來說,我們熟知的氦原子都是由2個質子和2個中子組成的原子核外加核外電子,這就是所謂的氦-4。在地球上,絕大部分的氦都是氦-4,而且這個比例是碾壓級的,占到了整個行星上氦元素的99.99986%。

(圖片說明:氦-3和氦-4)

氦-4不僅可以來自于宇宙中的物質,還可以在地球上自然形成。比如鈾和釷這樣的放射性元素,在衰變的時候,也會產生氦-4。

除了氦-4之外,氦還有一種同位素,那就是氦-3。氦-3的原子核和氦-4相比少了一個中子,這種同位素的比例非常低,在地球上僅占到了大約0.000137%。

在自然界,氦-3也有形成的來源,那就是通過氚(氫的同位素,又叫超重氫,其原子核包含一個質子和兩個中子)的放射性衰變而形成。不過,氦-3最重要的來源,則是宇宙大爆炸。宇宙大爆炸后,整個宇宙中其實只有氫、氦和鋰的幾種同位素,氦-4同樣遠多于氦-3,但大量的氦-3一直留存到了今天。

那麼,這些氦-3是如何進入到地球內部的呢?

我們知道,根據現在的理論,我們太陽系是在一片原始星云中誕生的。這片星云中的物質逐漸凝聚,形成了太陽。其余的部分以同樣的方式凝聚,形成了太陽系中的行星以及其他小天體。也就是在這個過程中,有一部分氦-3和星際物質一起凝聚,成為了地球的一部分,并且隱藏在地球的最內部——地核之中。

(圖片說明:地球形成于一片原始星云)

地球的核心處儲存著氦-3,意味著地球當初很可能是在一個非常富饒的星云中誕生的。而且,我們地球所形成的區域也是整片星云中的內側,從時間上講,地球是在星云被吹散之前形成的。

通過這些氦-3,天文學家們能夠了解地球和太陽系的歷史。

為了更好地還原幾十億年前發生的事件,來自新墨西哥大學的地球物理學家Peter Olson和他的同事、該校的地球化學家Zachary Sharp對地球的演化過程中氦的量進行了模擬研究。

(圖片說明:忒伊亞撞擊地球假想圖)

他們從原始星云開始模擬,地球首先通過引力將周圍的物質吸積起來,包括氦-3,形成了一顆原始行星。隨后,這顆早期的地球經歷了一場災難,那就是一顆名叫忒伊亞的行星的撞擊。

這顆行星的體型和火星差不多,在地球剛剛形成后不久就撞上了地球,二者合二為一。忒伊亞的一部分融入地球內部,撞擊后形成的碎片濺入到太空中,凝聚成了今天的月球。

本次研究的重點不是月球的形成,但這樣的撞擊過程改變了地球內部氦-3的命運。由于撞擊過于劇烈,地幔都被融化了,其中的大部分氦都會借此機會逃逸出去。然而,在更深處的地核,對于這樣的撞擊具有更強的抵抗力,因此很好地保留了其內部的氦-3。

(圖片說明:地核處的氦-3沿著海洋火山脊系統泄漏出來)

盡管地核里儲存著的氦-3沒有在忒伊亞的撞擊下流失,但它們在漫長的歲月里,也在一點點地逃逸。這些形成于宇宙大爆炸初期、隨著原始星云被塵封在地球核心處的氣體,目前正沿著海洋中部的火山脊系統泄漏出來,被科學家們發現。

研究結果表明,地核處每年有大約2000克的氦-3泄漏出來。可以說,這個泄漏的量和地球的各種行星數據相比幾乎可以忽略不計,按照Olson的說法,2000克氦-3換算成體積也就只夠充滿一個和桌子差不多大的氣球而已。但是,這卻是:「大自然的一個奇跡,同時也展現出了關于地球歷史的一個線索,那就是地球內部仍然存在著大量氦的這種同位素。」

目前來說,科學家還不太清楚這2000克氦-3中有多少是從地核泄漏出來的,又有多少是從地幔中泄漏出來的。研究人員利用氦同位素行為的模型以及目前氦-3泄漏出來的速度,推測地核中大約有10太克(1太克=10^12克)到1拍克(1拍克=10^15克)的氦-3。這也再次印證了前面的猜想,地球確實極有可能形成于太陽系原始星云中最富饒的地帶。

不過,在本次研究中,研究人員也注意到了其中的一些不確定性。地核處隱藏著的氦-3想要滿足所有的條件,可能性并不是太高,根據他們的說法,這意味著這種同位素的含量可能比他們推測的數據要小一些。至于這些猜測的驗證,或許需要借助其他元素。

他們認為,地核不僅隱藏著宇宙早期的氦-3,也富含原始的氫元素,它們也是以同樣的方式被封存在地球內部的。因此,未來他們希望尋找這部分氫氣泄漏的現象,或許可以對本次研究進行一種補充,讓我們更加了解地球和太陽系的早期歷史。

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