站在海边，看着海浪从地平线上滚滚而来——人们很容易将海洋视为永恒之物。我们的远古祖先肯定也是这么认为的。在众多的创世神话中，在陆地甚至光出现之前，就存在着一片汪洋。今天我们意识到，地球的全球海洋并非一直存在。它的水——以及每一滴雨水、每一阵潮湿的空气和每一口杯中的水——都是来自亿万年前的记忆，那时海洋真的从天而降。
我们太阳系中的所有水都可以追溯到巨大的原始气体和尘埃云，该云坍缩形成了太阳和行星，时间超过四十五亿年前。云层富含氢和氧，这是构成水（H2O）的两种原子成分。这种富集并不令人惊讶，因为氢和氧也是宇宙中第一和第三丰富的元素（化学惰性的氦是第二丰富的）。大部分气体被太阳和气体巨行星吸收，它们比类地行星形成得更早。剩余的大部分氧与碳和镁等其他原子结合，但剩余的氢和氧足以产生比我们太阳系中岩石多几倍的水。
然而，这并不是我们所看到的。地球及其邻居水星、金星和火星是岩石行星，而不是水世界。它们相对缺水是它们出生地点和方式的产物。当将成为我们太阳系的云层坍缩时，它的角动量将物质压平成一个旋转的圆盘，所有行星都在其中形成。类地行星的形成被认为是一个渐进的、循序渐进的过程，圆盘中较小的物体碰撞并粘在一起，形成更大的物体：微小的颗粒变成卵石，卵石变成巨石，巨石变成公里级的行星构建块，称为星子。许多行星形成后剩余的星子后来变成了我们今天所知的小行星和彗星。
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在靠近太阳的圆盘内部区域，气体的强烈摩擦加热和更多的阳光可能蒸发了氢和其他轻元素，只留下相对干燥的物质来形成行星。当干燥的岩石天体在太阳附近快速生长时，在更远的地方，大约在现在的 asteroid 带和木星附近，圆盘中的温度足够低，允许水和其他挥发物形成冰。天文学家将这个过渡点称为“雪线”，传统观点认为，地球的大部分水来自雪线之外，来自冰冷的小行星和彗星的阵雨，这些小行星和彗星可能是在行星形成的最后阶段被外行星抛射到太阳系内部的。
最近，来自其他正在形成行星的恒星的观测结果进一步证明了雪线和晚期星子碰撞的存在。展望浩瀚的星际空间深处，我们可以看到与我们太阳系中发生的相同的原始过程在遥远的地方展开，就在我们的望远镜眼前。即便如此，关于我们海洋形成的宏伟故事的许多方面仍然神秘莫测，并且是正在进行的深入研究的主题。正如地球海洋可能看起来永恒而难以捉摸一样，新的证据正在使我们更接近于准确回答它们是如何以及何时形成的，以及将所有水带到我们曾经干燥的星球上的主要机制是彗星、小行星还是某种完全不同的传递机制。
比骨头还干燥的海洋星球
从太空看，地球可能反而被称为“海洋星球”。水覆盖了地球表面三分之二以上的面积，并且占了典型地球人质量的三分之二以上。海洋的平均深度为四公里，其储水量足以填满一个直径超过 1,300 公里的球体。然而，许多人惊讶地得知，所有这些海水仅占地球质量的约 0.02%。换句话说，如果我们的星球是一架 300,000 公斤的波音 777，那么海洋中所有水的质量将相当于一名乘客的质量。锁定在极地冰盖、云层、河流、湖泊、土壤和地球生物群中的淡水仅占总量的极小一部分。
更多的水可能潜伏在我们脚下深处，在地球的岩石地幔中，地幔从地壳向下延伸 3,000 多公里，一直到液态铁核的尖端。那里的水不是液态形式。相反，它被束缚在“水合”岩石和矿物的分子结构中，这些岩石和矿物已被构造过程拖到地壳之下。一些被岩石锁住的水分可以通过火山从地幔逸回到地表，但更大部分被埋藏起来。更深处是地球沉重的镍铁核。核心重量约占地球质量的 30%，它可能比地幔含有更多的水，以氢的形式存在，否则氢会与巨大热量和压力之外的氧结合。
没有人知道我们的星球内部蕴藏着多少水。这种不确定性源于缺乏直接样本，以及对水如何有效地输送到地表和从地表输送走了解不足。一个合理的猜测是，仅地幔就至少包含另一个海洋的水量，有效地使地球的总水储量翻倍。即便如此，将这些水添加到地表海洋中也仅占地球质量的 0.04%，相当于一架满载 777 上的两名乘客。实际上，地球比旧骨头干燥约 100 倍，旧骨头仅含有极少量的水，这似乎很奇怪。尽管如此，我们确实拥有的水是如何来到这里的这个问题仍然需要一个答案。
彗星还是小行星？
由于人们普遍认为早期地球甚至比今天的地球还要干燥，因此研究世界水起源的研究人员将重点放在地球形成的相对后期阶段，即月球形成之后。
新形成的地球，就像太阳系的其他类地行星一样，在其诞生后至少数千万年的时间里，表面肯定至少部分熔化。这种熔化是由于山脉大小的星子群落撞击地球而向地球注入的巨大能量造成的。尽管有地球化学证据表明地球的岩浆海洋中含有一些水，但热熔岩不太擅长 удерживать 水，因此来自原始地球和星子的大部分水分会以电离气体和蒸汽的形式释放出来。其中一些物质丢失到太空，但其中一些也可能落回地球，再次被锁定在岩石中，然后被淹没到地幔深处。
后来，其他巨大的撞击会进一步改变地表和地表附近的水储量。特别是，地球似乎在约 45 亿年前与一个火星大小的天体相撞，喷射出一团物质，这些物质冷却并聚结成月球。这种全球规模撞击的能量会扫荡大部分大气层，瞬间煮沸任何含水海洋，并产生数百公里深的岩浆海洋。无论地球形成时是湿润还是干燥，形成月球的撞击的毁灭性打击肯定已经清除了我们星球上几乎所有的原始水。
了解了所有这些，科学家们长期以来一直在寻找一种水源，这种水源可以在地球-月球系统形成和冷却后输送。自 1950 年代以来，人们就知道彗星富含冰，它们从太阳系外围的两个巨大储层进入太阳系内部，这两个储层称为柯伊伯带（Kuiper belt）（大约从现在的冥王星轨道开始）和奥尔特云（Oort cloud）（从柯伊伯带之外开始，可能延伸到离我们最近的恒星的一半距离）。许多研究人员认为，彗星可能是地球海洋的主要来源。
但是，这个概念在 1980 年代和 1990 年代遇到了一些麻烦，当时研究人员首次测量了来自奥尔特云的彗星上的氘/氢 (D/H) 比率。氘是氢的较重同位素，其原子核中有一个中子，与普通氢相比，它的普遍性可以作为追踪物体历史的有用指纹。如果地球海洋是由融化的彗星组成的，那么它的 D/H 比率应该与我们今天观察到的彗星的比率非常接近。但奥尔特云彗星的 D/H 比率是普通海水的两倍。显然，地球的大部分水一定来自其他地方。
然而，在过去的几年中，对来自柯伊伯带的彗星的测量显示，D/H 比率与海洋相似，这重新激发了彗星输送地球水的说法。但是现在，钟摆再次远离彗星。2014 年末，欧洲航天局的“罗塞塔”号探测器发回的调查结果表明，源自柯伊伯带的彗星 67P/丘留莫夫-格拉西缅科的 D/H 比率是海洋的三倍多，这为地球水的其他地外来源提供了另一个数据点。这一结果，加上基于来自彗星富集区域的坠落天体的轨道动力学的论据，表明尽管偶尔的彗星撞击肯定会向地球输送水，但这种机制不太可能是主要来源。
小行星是显而易见的替代方案，如今它们是地球大部分水的共识首选来源。与彗星一样，小行星也是构成行星的小星子碎片。“主带”小行星在火星和木星之间运行，比柯伊伯带离地球更近，一旦移位，它们撞击地球的机会比彗星大得多。这方面的证据不远，就在月球上，月球表面布满了古代小行星撞击形成的陨石坑。陨石——来自已到达地球表面的小行星的岩石碎片——也充满了我们的科学博物馆，有力地提醒我们，地球仍然不断受到行星际碎片的轰击。通过研究这些稀有的小行星碎片，我们可以一瞥它们更深层的历史，并确定它们是否可能填满地球的海洋。对某些陨石家族的研究已经表明，它们的 D/H 比率与海水的比率一致。
陨石，就像它们的母体小行星一样，表现出各种成分和含水量。来自主带内边缘的小行星，位于大约地球-太阳距离两倍远的地方，产生了我们在地球上研究的许多贫水岩石陨石。另一方面，来自更远区域的小行星，超过木星一半距离，则相对潮湿。它们倾向于产生称为碳质球粒陨石的陨石——水合矿物和碳酸盐的聚合物，其中水可以占岩石质量的几个百分比。这些岩石中水的历史一直是我们其中一位作者（Young）的研究重点，该研究借鉴了对地球上岩石中流淌的水的观察。碳质球粒陨石中富含水的矿物是通过岩石与液态水或气态水之间的反应生长而成的，这些反应发生在相对较低的几百度摄氏度的温度下。在地球上，当水渗透多孔岩石时，就会产生这种矿物。在陨石中，它们证明了水冰融化并流过小行星岩石基质的时期。
融化所有这些水冰的热源几乎可以肯定是放射性铝同位素 26Al，它在早期太阳系中大量存在。26Al 在衰变为镁同位素 26Mg 的过程中，会在数百万年内释放出大量能量。在年轻太阳系寒冷的外围区域，越过雪线，来自衰变 26Al 的热量是一种强大但短暂的力量，塑造了富含挥发物的小行星的地质和水文。在太阳形成后的数百万年里，许多小行星内部的水将是液态的，维持着热液循环系统，例如现在在地球中洋脊的火山喷口处发现的那些系统。随着温暖的盐水渗透到小行星放射性同位素加热的内部及其周围的裂缝和裂缝中，水合矿物和碳酸盐将会形成。在行星形成的最后阶段，外行星的引力将物质散布到整个年轻的太阳系中，将潮湿的小行星从雪线之外抛射下来，撞击地球和其他类地行星。
我们在地球以及火星的化学成分中看到了这种后期物质重新分布的证据。例如，铂族元素是“亲铁的”，或者说是亲铁的，这意味着它们对铁和其他金属具有化学亲和力，而不是对岩石。在新生的熔融地球上，这些元素应该与形成地球核心的稠密、下沉的铁和镍羽流一起被拖入地核。相反，令人惊讶的是，今天在地幔甚至地壳中都存在相当可观的亲铁元素浓度，其含量与球粒陨石状物质在我们的星球冷却到足以完全形成地核后贡献约占地球质量的 1% 的量一致。这种“后期外壳”撞击物解释了我们为何有足够的铂来制作结婚戒指和汽车催化转化器。它也可以解释我们为何有足够的水来填满地球的海洋。极有可能的是，所有内部类地行星，而不仅仅是地球和火星，都在行星形成的最后阶段受到了来自小行星带的这种物质脉冲的冲击。
然而，在小行星输送地球大部分水的这个整洁的图景中，似乎存在一个关键缺陷。当研究人员观察气态元素（例如氙和氩）时，这个问题变得显而易见，这些气态元素被称为惰性气体，因为它们非常惰性，几乎不与任何化合物发生化学反应。这种惰性使惰性气体能够充当各种物理过程的示踪剂，相对不受令人困惑的化学效应的影响。如果类地行星和小行星密切相关，那么它们应该具有大部分惰性气体相似的比例。但是，研究陨石和坠落到地球上的行星物质中氙与氩比率的研究人员发现，相对于陨石，地球和火星的这些惰性气体都已耗尽。
近年来，人们提出了许多可能的答案来解决这个氙缺失问题，包括一些可能将天平重新倾向于彗星作为水和其他挥发物的实际输送者。截至撰写本文时，研究人员正热切等待着来自“罗塞塔”号探测器对 67P/丘留莫夫-格拉西缅科的探测而得出的彗星惰性气体的首次测量结果。此类测量结果可能最终帮助我们得出地球海洋起源的明确答案，但如果过去的趋势有任何指示意义，那么它们可能反而只会提出更多难题，使这场辩论再持续数十年。
虚假的二分法？
在区分小行星和彗星作为地球海洋的来源的探索中，似乎没有简单的解决方案。问题可能不在于自然界，而在于我们向自然界提出的问题。小行星和彗星之间的二分法可能不像以前认为的那么鲜明。我们其中一位作者（Jewitt）与台湾中央研究院天文及天体物理研究所的谢亨利（Henry Hsieh）最近发现了主带彗星，这些天体在小行星带中运行，但像普通彗星一样，在每个轨道上周期性地喷射出尘埃。尽管这些天体在阳光照射、挥发物耗尽的雪线内运行，但出乎意料地保留了冰。此外，正如我们已经表明的那样，真正的问题可以说不是为什么地球有这么多水，而是为什么地球的水这么少。地球相对少量的水可以通过多种途径输送，而这些途径又与其行星的确切历史、撞击物及其最初的形成条件密切相关。所有这些模糊性为其他更奇特的水输送情景留下了充足的空间，尽管这些情景可能不太可能，但目前还不能明确排除。
例如，从理论上讲，地球的大部分水可能几乎从行星诞生之初就已存在于此。新的研究表明，来自太阳风的氢离子可能会积聚起来，在行星际尘埃颗粒的无定形边缘形成水合矿物，然后可以将这种含水物质输送到行星和行星构建块的早期形成阶段。即便如此，也很难想象这种早期储层如何能够持续存在于地幔深处，仅仅是在定义行星形成末期的大规模地表冲刷撞击之后才渗出。
比大多数彗星和小行星更大的天体也引起了近期的关注。以矮行星谷神星为例，它的宽度为 900 公里，是我们太阳系中最大的小行星。人们认为谷神星的质量高达一半是水。2014 年初，研究人员目睹了似乎有蒸汽以每小时约 20,000 公斤的速度从这颗矮行星中喷出，这为谷神星富含水提供了关键证据。地球的质量约为谷神星的 6,000 倍。如果像许多人怀疑的那样，谷神星质量的一半是水，那么地球的总水储量（包括地下和地表）仅相当于约五个谷神星类型天体中含有的水。
在早期混乱的太阳系中，此类天体比今天常见得多，而且不难想象有几个谷神星类型的天体进入了太阳系内部并到达地球。只需少数几个这样的天体就足以给我们的星球带来海洋的礼物，而无需大量更小的小行星或彗星的阵雨。美国宇航局的“黎明”号任务将于本月与谷神星交会，为我们提供一个近距离观察其冰和喷气的全新视角，并且无疑会带来与我们星球内外水历史相关的全新惊喜。