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  地勘简讯
地球第一场雨,可能下了几千年
黄方等 日期:2026.10.20 资讯来源:《国家科学评论》 浏览人次:202

“凝固了岩浆洋,月亮低垂天上。蒸汽翻腾,太阳无光。一万年太久,第一场雨汇成海洋。听冥古宙潮声,摇动生命温床。”近日,中国科学技术大学地球和空间科学学院教授黄方在《国家科学评论》上发表了一篇论文,其核心结论凝结成了这首小诗《地球的第一场雨》。

正如小诗写的,他们计算发现:岩浆洋凝固后,原始大气凝结成雨,最终汇聚成海洋所需的时间不到一万年。这意味着,地幔凝固不只是岩浆洋的终点,更是地球水圈的“时间零点”——地球的海洋几乎与最早的地壳同时形成。

一个打断老师的问题

“约45亿年前,一颗火星大小的天体‘忒伊亚’撞上原始地球。这场大撞击形成了月球,撞击的巨大能量也使地球表面再次熔融,变成一个炙热的、由岩浆洋组成的‘炼狱’。当岩浆洋凝固,地壳温度降低了,大气降水才有可能在地表以液态形式存在。这是地球的第一场雨,最终汇聚成海洋,这一过程可能用好几百万年的时间……”一次组会上,黄方如此向年轻科研人员描绘冥古宙的场景。

“为什么是好几百万年?海洋的诞生会不会更快或者更漫长?”彼时,做博士后研究的肖子聪(现为丹麦哥本哈根大学博士后)打断了黄方。而他自己也没想到,正是这一问,有了后续研究和此次新发现。

黄方认为“这是个好问题”。“一个准确的时间尺度,有助于我们理解地球是从何时变得宜居的。最早的地壳是否一诞生就泡在水里,碳循环何时开始运转,生命起源所需的温床最早能在什么时候登场?这些问题都和时间息息相关。”

于是,他们坐下来,开始计算这笔账。“这个问题说到底是一道除法,即地表和大气里存着多少热,每秒钟又能向太空散掉多少热。”

地球早期的“热量账”

这笔账具体怎么算?研究团队搭建了一个热收支模型,相当于给早期凝固的地球记一本“热量账”。

账上的“支出”,是大气向太空发出的热辐射。团队用辐射传输程序计算发现,当地表温度在几百到上千开尔文(开尔文是绝对温度单位,0开尔文等于-273.15℃)之间时,高空厚厚的水汽把下方更热的大气遮挡起来,能向太空散热的只剩最上层水汽,散热量因此稳定在每平方米约280瓦,这正是行星科学中“失控温室效应”的辐射上限。

账上的“收入”,则是昏暗的、年轻的太阳给地球传输的热。“当时太阳的亮度只有现在的七成左右,地球每平方米吸收约190瓦。一出一进,地球每平方米每秒净散失约90瓦的热量。”黄方补充道。

地幔的热量为什么可以不记进账里?在岩浆洋阶段,熔体黏度极低,对流旺盛,地下热量源源不断涌上地表,地表根本冷不下来。同时,岩浆不断脱气,大气的成分也一直在变,找不到一个清晰明确的起点。

因此,团队把岩浆洋凝固作为计算的起点。此时,黏度猛增约20个数量级,从地下传上来的热流不足每平方米0.2瓦,可以忽略不计。

热量账上的“存款”,是地表和大气储存的热量,以及水蒸气凝结时释放的潜热。计算时,团队从岩浆洋刚凝固时的1400开尔文(约1127℃)出发,把降温过程分割成许多小段,用每一小段散失的热量除以当时的净散热速率,得到这一段所需的时间;再把各段时间加起来,直到大气散热与阳光输入重新平衡、地表温度稳定,就得到了海洋形成的总时长。

“不超过一万年”

计算得出的结果令团队很是意外:岩浆洋冷却结晶成地幔后,地球表面从1400开尔文冷却到海洋完全形成,只要4000多年。其中,地表从岩浆洋刚凝固时的1400开尔文开始降温至水的临界温度(647开尔文,即液态水可能存在的上限温度)约需1800年;从地表可以稳定存在液态水,到全部汇聚成海洋,再需要2460年。

“我们推测,地球的第一场雨不是连绵几百万年的淫雨霏霏,更可能是一场持续几千年的暴雨倾盆,足以把地球从干热的蒸汽世界改写为水的世界。”黄方说。

为测试结果的可靠性,研究团队开展了参数试验。他们调整了大气中水或二氧化碳的总量,发现总时长会变化,但不超过一万年;将目前完全氧化的大气换成还原的大气,总时长也不到一万年;云的存在会拉长时间,但也不会超过一个数量级。

“我们把‘海洋很快出现’这句定性的推测,变成了一个可计算、可检验的研究问题。这有助于我们理解地球从何时开始变得宜居。最早的地壳可能一诞生就泡在水里,这与约44亿年前锆石中记录的水-岩相互作用证据相吻合;即使后来的大撞击把海洋蒸干,海洋也能在几千年内重新形成。碳循环、热液作用,以及生命起源所需的温床,都可能比过去想象的更早出现。”黄方解释道。

从地球到火星、金星

黄方介绍,他们发展的这套热收支模型不止应用于地球表面,还可探索火星和金星。

近年来,有研究认为,火星表面曾有三分之一被海洋覆盖,那么早期火星海洋的形成又需要多久?

经热收支模型估算,早期火星若存在足够水汽,形成海洋的时间也可能在几千年。而地球的“姊妹星”——金星,它的大小、重力与地球相近,但它离太阳更近,早期金星吸收的太阳辐射可能超过大气向外辐射的上限,表面难以有效冷却。金星因此可能长期处于岩浆洋状态,它的第一场雨可能比地球来得更晚一些,甚至可能从未到来。

黄方表示,“下一步团队将以此次工作为基础,研究地球这片最早海洋的化学成分、酸碱度,它与大气和地壳之间的相互作用,以及对生命起源的意义。”(来源:中国科学报 王敏)

相关论文信息:https://doi.org/10.1093/nsr/nwag626


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