圖蟲創意
水，是大家再熟悉不過的東西，每天的衣食住行都離不開它。但不知道各位有沒有想過一個問題：早期地球上的水里混雜著各種重金屬、礦物質以及溶解氣體，與現代淡水完全不同。這鍋“濃湯”是什么時候“變淡”的？
在回答這個問題之前，我們需要先了解什么是水循環。
水循環是指地球上各種形態的水，在太陽輻射、地球引力等作用下，通過 蒸發、水汽輸送、凝結降落、下滲和徑流等環節，不斷發生的周而復始的運動過程（水相不斷轉變的過程）。水循環主要包括分類：海陸間循環、陸地內循環和海上內循環。
海陸間循環指的是海水蒸發成水汽進入大氣，水汽隨氣流移動并在陸地上冷卻凝結為降水，降水形成地表徑流和地下水流回海洋。而陸地內循環和海上內循環則不同于海陸間循環。陸地內循環是降水直接在陸地上被蒸發或植物蒸騰返回大氣，不直接涉及海洋。海上內循環是完全發生在海洋上的水汽蒸發和凝結過程。
水循環使得全球維持水量平衡，確保水資源的持續可用性。同時，可以更新和補充陸地上的淡水資源，使之成為可再生資源；還能調節全球熱量平衡，通過水的相變（蒸發吸熱、凝結放熱）影響氣候。不僅如此，還能塑造地表形態，如通過侵蝕、搬運和沉積作用改變地形。
地球上自出現水以來，就一直處于這樣的循環當中。在這個過程中，地下水會滲透到地殼深部，參與巖漿的形成。所以，巖漿冷卻結晶形成的礦物當中就會保留水的同位素信息。近期，科學家通過分析古老鋯石中的氧同位素比例來推斷出了地球淡水出現的時間。
鋯石是一種常見的礦物，一般是火山巖漿冷卻的副產物。由于極高的耐熱性和化學穩定性，鋯石能夠在極端地質條件下不被破壞，保存下來，所以它經常被科學家當成存儲了地球早期同位素比值等化學信息的“硬盤”，其中包含了有關地球內部構造、地殼形成以及環境條件等方面的關鍵信息。
那鋯石是如何記錄地球淡水形成的信息的呢？
氧有三種穩定同位素(16O、17O、18O)，其中18O原子質量比其他兩種氧同位素大，更重，更容易在蒸發過程中留在液體水中，而更輕的16O則更容易飛起來進入水汽中。蒸發過程中，水汽中16O 的含量會高于原始水體，相應地，原始水體中18O 的比例也會比之前更高。這個過程叫做同位素分餾。在水通過降雨返回地面并最終流入海洋這個循環過程中，隨著水汽移動和冷卻,18O會優先凝結降落到海洋中，剩余水汽16O的含量越來越高。這就導致海洋中18O的含量越來越高，遠離海洋的降水中，16O含量更高。
如果鋯石中記錄的氧同位素比值顯示出與現代淡水相近的特征，說明當時可能已經存在類似現代的淡水循環系統。
這項研究成果或將地球淡水出現時間至少提前8億年，遠早于之前認為的約32億年前。這就意味著可能在約40億年前，地球上就已出現陸地和淡水。
該發現挑戰并修正了我們對地球早期環境演化的理解，這一成果對于探索其他行星或衛星上是否存在或曾經存在適宜生命條件提供了新的視角和標準，有助于指導我們在宇宙中尋找外星生命的策略。此外，它還強調了地球系統科學中長期水循環過程的重要性，為理解氣候變化和預測未來水資源趨勢提供了更深遠的背景。
本文為科普中國·創作培育計劃扶持作品
作者：董漢文
審核：肖龍 中國地質大學 教授
出品：中國科協科普部
監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司
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