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地球在漏气!太阳系的遗产,悄悄泄漏到宇宙中

  地球有引力和磁场,能够保护表面的大气层和水分等物质,防止它们逃逸到太空。多亏有了这样的机制,生命才能够在这里被孕育,最终进化出人类。
  (图片说明:地核在漏气)
  不过最近,科学家们发现,地球正在悄悄地泄漏着一种气体。这种气体不是来自大气层,而是来自地球的核心处。它的泄漏量也不大,但由于"身份"特殊,所以引起了科学家们的高度关注,这甚至有可能告诉我们一段关于地球的遥远历史。这种气体的组成元素,叫做氦-3。
  我们知道,氦是一种稀有气体元素,它也是化学元素周期表中排在第二的元素。通常来说,我们熟知的氦原子都是由2个质子和2个中子组成的原子核外加核外电子,这就是所谓的氦-4。在地球上,绝大部分的氦都是氦-4,而且这个比例是碾压级的,占到了整个行星上氦元素的99.99986%。
  (图片说明:氦-3和氦-4)
  氦-4不仅可以来自于宇宙中的物质,还可以在地球上自然形成。比如铀和钍这样的放射性元素,在衰变的时候,也会产生氦-4。
  除了氦-4之外,氦还有一种同位素,那就是氦-3。氦-3的原子核和氦-4相比少了一个中子,这种同位素的比例非常低,在地球上仅占到了大约0.000137%。
  在自然界,氦-3也有形成的来源,那就是通过氚(氢的同位素,又叫超重氢,其原子核包含一个质子和两个中子)的放射性衰变而形成。不过,氦-3最重要的来源,则是宇宙大爆炸。宇宙大爆炸后,整个宇宙中其实只有氢、氦和锂的几种同位素,氦-4同样远多于氦-3,但大量的氦-3一直留存到了今天。
  那么,这些氦-3是如何进入到地球内部的呢?
  我们知道,根据现在的理论,我们太阳系是在一片原始星云中诞生的。这片星云中的物质逐渐凝聚,形成了太阳。其余的部分以同样的方式凝聚,形成了太阳系中的行星以及其他小天体。也就是在这个过程中,有一部分氦-3和星际物质一起凝聚,成为了地球的一部分,并且隐藏在地球的最内部——地核之中。
  (图片说明:地球形成于一片原始星云)
  地球的核心处储存着氦-3,意味着地球当初很可能是在一个非常富饶的星云中诞生的。而且,我们地球所形成的区域也是整片星云中的内侧,从时间上讲,地球是在星云被吹散之前形成的。
  通过这些氦-3,天文学家们能够了解地球和太阳系的历史。
  为了更好地还原几十亿年前发生的事件,来自新墨西哥大学的地球物理学家Peter Olson和他的同事、该校的地球化学家Zachary Sharp对地球的演化过程中氦的量进行了模拟研究。
  (图片说明:忒伊亚撞击地球假想图)
  他们从原始星云开始模拟,地球首先通过引力将周围的物质吸积起来,包括氦-3,形成了一颗原始行星。随后,这颗早期的地球经历了一场灾难,那就是一颗名叫忒伊亚的行星的撞击。
  这颗行星的体型和火星差不多,在地球刚刚形成后不久就撞上了地球,二者合二为一。忒伊亚的一部分融入地球内部,撞击后形成的碎片溅入到太空中,凝聚成了今天的月球。
  本次研究的重点不是月球的形成,但这样的撞击过程改变了地球内部氦-3的命运。由于撞击过于剧烈,地幔都被融化了,其中的大部分氦都会借此机会逃逸出去。然而,在更深处的地核,对于这样的撞击具有更强的抵抗力,因此很好地保留了其内部的氦-3。
  (图片说明:地核处的氦-3沿着海洋火山脊系统泄漏出来)
  尽管地核里储存着的氦-3没有在忒伊亚的撞击下流失,但它们在漫长的岁月里,也在一点点地逃逸。这些形成于宇宙大爆炸初期、随着原始星云被尘封在地球核心处的气体,目前正沿着海洋中部的火山脊系统泄漏出来,被科学家们发现。
  研究结果表明,地核处每年有大约2000克的氦-3泄漏出来。可以说,这个泄漏的量和地球的各种行星数据相比几乎可以忽略不计,按照Olson的说法,2000克氦-3换算成体积也就只够充满一个和桌子差不多大的气球而已。但是,这却是:"大自然的一个奇迹,同时也展现出了关于地球历史的一个线索,那就是地球内部仍然存在着大量氦的这种同位素。"
  目前来说,科学家还不太清楚这2000克氦-3中有多少是从地核泄漏出来的,又有多少是从地幔中泄漏出来的。研究人员利用氦同位素行为的模型以及目前氦-3泄漏出来的速度,推测地核中大约有10太克(1太克=10^12克)到1拍克(1拍克=10^15克)的氦-3。这也再次印证了前面的猜想,地球确实极有可能形成于太阳系原始星云中最富饶的地带。
  不过,在本次研究中,研究人员也注意到了其中的一些不确定性。地核处隐藏着的氦-3想要满足所有的条件,可能性并不是太高,根据他们的说法,这意味着这种同位素的含量可能比他们推测的数据要小一些。至于这些猜测的验证,或许需要借助其他元素。
  他们认为,地核不仅隐藏着宇宙早期的氦-3,也富含原始的氢元素,它们也是以同样的方式被封存在地球内部的。因此,未来他们希望寻找这部分氢气泄漏的现象,或许可以对本次研究进行一种补充,让我们更加了解地球和太阳系的早期历史。

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