Only Perception: 研究者重新評價地球大氣形成理論

2007-09-20

研究者重新評價地球大氣形成理論

Researchers reassess theories on formation of Earth's atmosphere
http://www.physorg.com/news109427299.html

September 19, 2007

Rensselaer Polytechnic Institute 的地球化學家（geochemists）正在挑戰大家所秉持的、關於氣體如何從地球噴出的構想。他們的理論在 9/20 當期的 Nature 期刊上描述，將改變科學家觀察地球與我們遙遠的鄰居，火星、金星的大氣形成方式。他們的資料對類地行星（terrestrial plants）大氣形成的時機與機制提出質疑。

由 E. Bruce Watson 所領導，Rensselaer 科學研究所教授，該團隊發現強烈證據顯示氬（argon）原子頑強地束縛在地球地幔的礦物中，而且比之前所認為的、以更加緩幔的速率，移動通過礦物。事實上，他們發現即使是火山活動都無法將氬原子自其在地幔的停留之處逐出。根據 Watson 表示，這與氣體如何移動通過早期地球，進而形成我們的大氣與海洋，所廣泛秉持的理論形成直接對比。

科學家相信在地球形成不久後，就有融化的岩石所形成的灼熱表面，並延伸到數百英里之下。當表面冷卻後，堅硬的地殼在表面附近產生，並緩慢向下變堅固，以造就現在的固態行星。

某些科學家指出地球已喪失它最初所有的氣體，不管是在融化階段期間或因為巨大碰撞的結果，而且那災難性的將我們早期大氣與海洋所形成的氣體給驅逐出去。其他人則爭論早期的「氣體去除」並不完全，而且原始氣體今日依然隱匿在極深之處。Watson 的新結果則支持後者。

"「深度隔離」理論是正確的，在面對地幔傳送與火山作用時，某些氣體將避免逃逸至大氣，" Watson 說。"我們的資料指出氬實際上並不會受限停留在地幔，即便是在極端高溫，這讓地球很難持續清除自身因鉀放射性衰變而產生的氬。"

氬與其他惰性氣體是科學家的追蹤元素，因為它們相當穩定，而且不會隨著時間改變，雖然有某些同位素會因為放射性衰變而累積。不像其他更加雜亂的元素，如碳與氧，那都會不間斷地與其他元素鍵結與反應，可靠的氬與其姊妹惰性氣體（氦、氖、氪與氡）經歷這些時日之後，仍幾乎沒有改變。其穩定的個性讓氬成為了解地球內部動力學的理想標誌。

"藉由測量氬在地幔的行為，我們能開始追溯地球大氣的形成並了解完整的氣體去除（complete degassing）如何與是否發生，" Watson 解釋。

Watson 的團隊，包括 Rensselaer 博士後研究者 Jay B. Thomas 與研究教授，Daniele J. Cherniak，開發出大量資料（reams of data）支持他們新興的信念，即氬穩定的存在於結晶體當中並緩慢地遷移。"我們從我們最初結果領悟到，這些構想可能會引起轟動，" Watson 說。"故我們想要確定我們有大量資料支持我們的例子。"

該團隊將地球地幔中發現的矽酸鎂礦物在氬氣中加熱。地幔是夾在地球上地殼與中央核心之間的區域。他們使用高溫模擬地球深處的極度高溫，看看氬是否或多快移進礦物中。

氬出乎意料之外大量被「吞噬」到礦物中，不過是以相當緩慢的速率。

"結果證實，氬能夠待在地幔中，即便暴露在極端溫度中，" Watson 說。 "我們無法再假定，地幔部份融化的區域將使氬從中剝離，而且，這能擴展到其他惰性氣體。"

"不過有一些氬存在我們的大氣中 -- 不到 1%。如果它無法射穿岩石地幔，那它如何進入大氣當中？"

"我們提出，氬是透過上層地殼的風化作用而釋放到大氣中，而不是因為地幔的融化，" Watson 說。"海洋地殼不斷被海水風化，而大陸地殼則富含鉀，那會因衰變而形成氬。"

"而原始的氬則在數十億年之前被地球捕獲" "它們當中有一些仍在地下，" Watson 說。

因為火星與金星的地幔物質與地球的相似，這理論也有可能成為了解它們大氣的關鍵。

Watson 與其團隊已經開始對其他惰性氣體測試他們的理論，而且他們預測會有相似結果。"我們或許需要開始重新評價我們在大氣宇其他大規模系統如何形成的基本想法，" 他說。

※ 相關報導：

＊ 40^Ar retention in the terrestrial planets
http://www.nature.com/nature/journal/v449/n7160/abs/nature06144.html