由东京工业大学制作
图1
艺术家印象
许多小行星撞击形成的熔融地球
信用:艾伦·布兰登/自然 地球表面环境蕴藏着大量的氢(氢，主要以水的形式存在，H2O)、氮(在大气中的N2)和碳(主要在碳酸盐岩中)
氢、氮和碳有时被地球科学家称为“挥发性”元素，或简称为“挥发物”，因为它们形成的许多简单化合物在标准温度和压力下都是气体
然而，这些挥发物在地球上的分布相对于它们在地球被认为已经形成的物质中的丰度是倾斜的
这些挥发性元素是大气和海洋的主要组成部分，也是生命的关键要素；因此，理解地球挥发性成分的来源对于理解地球是如何形成宜居环境至关重要
东京理工大学的相户爱·樱叶和东京理工大学地球-生命科学研究所(ELSI)的黑川浩之领导的一项新研究表明，地球形成过程中的戏剧性事件本身可以解释这些观察结果
球粒陨石是太阳系早期最早形成的固体物质之一
人们普遍认为，根据对它们所含同位素的分析，它们释放了地球的挥发性元素
然而，在科学家称之为“块状硅酸盐地球”或“BSE”(包括大气、海洋、地壳和地幔)中，碳、氮和氢的丰度与它们在球粒陨石中的丰度明显不同；除了这些元素在疯牛病中相对较少之外，氮也明显缺乏
由于这些差异，地球主要挥发性元素的来源仍然是神秘的，先前的研究已经提出，非球粒陨石，分化陨石或小行星可能已经交付了它们
这项新的研究表明，如果球粒陨石的挥发物受到地球形成过程本身的影响，那么疯牛病的碳、氮和氢的耗尽模式确实可能是由于球粒陨石体的不断侵入造成的
首先，这项研究提出，由于这颗行星在最早期基本上是一个熔化的岩石球，大量的碳可能已经被带进了地核
后来，随着行星冷却和固化，海洋形成，碳和氢会以水和碳酸盐岩的形式沉积下来
与此同时，氮大部分留在大气中，随后爆炸的陨石撞击将其中一部分送入太空
研究人员模拟了从地球形成的最早阶段开始，大气、海洋、地壳、地幔和地核中挥发物丰度的演变，考虑了所有这些因素，以及地球形成的制约因素，如早期矿物学和进入的小行星和陨石的大小分布
然后，他们将不同条件下的最终不稳定库存与当前地球进行了比较
图2
答:地球处于主要的吸积阶段，当时它被岩浆海洋覆盖
地球处于晚期增生阶段，那时海洋已经存在
信用:樱叶等人
(2021年)科学报告 团队成员黑川说，“地球可居住环境的起源以及生命是如何出现的无疑是令人兴奋的问题
地球适合居住的事实不仅是因为它的表面有液态水，尽管这很重要，还因为它的大气碳和氮有助于保持地球表面足够温暖，以维持液态水
这些主要挥发性元素的丰度很重要；如果我们将它们的丰度增加或减少几倍，地球可能是一个完全干燥或完全被海洋覆盖的星球，或者它的气候可能非常炎热或寒冷
" 黑川进一步解释说，科学家们多年来一直对恒星周围的一个区域感兴趣，他们称之为“可居住区”或HZ，这是一个距离，在这个距离上，一颗行星从阳光中获得足够的能量，以保持行星表面足够冷，以保留水，但足够暖，以保持水的流动性
然而，一颗行星是否存在于HZ也取决于该行星的质量和化学成分，因为小而低质量的行星更容易因引力逃逸而失去挥发物，行星大气可以通过所谓的温室效应捕获输出的红外辐射来帮助行星变暖
这项研究解释了地球主要挥发性元素的丰度，并表明地球的挥发性成分是以赫兹形成地球大小的行星的自然结果
相比之下，研究人员认为金星(它比提出的赫兹更靠近太阳)和火星(它比地球小十倍)应该获得了不同的挥发性丰度
作者认为，这些结果可以进一步帮助预测在宿主恒星的HZs中哪些太阳系外行星应该是真正适合居住的
天文学家已经在其他恒星周围的HZs中发现了地球大小的行星，尽管它们的表面环境目前还无法观测到
这项研究预测，如果这些行星的形成与地球相似，它们就真的是类地行星；并且可能有大量类似于地球的主要易挥发元素，因此很可能像地球一样进化，因此也是寻找地球以外生命的好候选
图3
从模拟中获得的碳、氮和水(氢)量的时间演变
每一行图例中的数字表示地球达到当前质量百分比的时间
绿色区域是当前地球的元素丰度(不包括地核)
答:主要增长结构
晚期增生阶段
信用:樱叶等人
(2021年)科学报告 作者指出，他们模拟的一些参数存在一些不确定性
每个参数都有不同程度的不确定性
例如，元素如何在硅酸盐岩浆和造核金属之间分配，通常具有数量级的不确定性
以简单的方式将所有这些不同的过程合并到一个单一的模型中，并量化它们的不确定性的影响，需要用不同的参数多次运行它们的模型
黑川说，“我们感兴趣的是能够维持生命的宜居环境如何在地球和其他行星上发展，因此，问题是“地球是特殊的还是普遍的？"
地球表面环境不仅受其与太阳的距离和水的存在控制，还受其主要挥发性元素如碳、氮和氢的库存控制
这是一个特别重要的问题，因为地球的易挥发丰度与我们太阳系中原始的太阳系天体有很大的不同，地球被认为是从这些天体形成的
" 以前解释地球易挥发元素丰度的尝试集中在对行星形成过程相互作用的有限考虑上
这项研究首次模拟了在地球吸积过程中主要挥发性元素的丰度可能发生的变化，以及我们如何再现观察到的成分
黑川补充说:“这项工作提出的一个新问题是，在地球历史早期，主要挥发性元素的分布是如何确定的。”
“我们的模型预测，这些挥发物大多在地球形成后不久就存在于地表
相比之下，它们今天最大的储层是地幔
板块构造应该对这种变化负责
然而，这些挥发物何时以及如何被输送到地幔是一个尚未解决的问题
这也与地球上生命的出现和演化有关；氮有时是生物活动的限制因素，目前的氮循环主要由生命控制
" 该团队未来要解决的一个问题是，同样的行星形成场景是否能解释其他类地行星的不稳定丰度，包括金星、火星和太阳系外类地行星
包括大气层在内的金星表面将由美国国家航空航天局(DAVINCI+，VERITUS)和欧空局(EnVision)在未来的任务中探索
尽管关于这些行星内部挥发性成分的数据很少或没有，但从火星陨石分析和火星洞察任务的地震学测量中可以获得一些信息
该团队认为，对这些行星的可测试的预测可以从这项研究中发展出来
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