地球第一场雨，可能下了几千年

“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。”