C从哪里来？

文章来源于公众号“科学大院”作者： 鲁超

我们都是群星之子！——卡尔萨根

大约在138亿年前，宇宙处于一种能量与密度极大，温度极高的状态。在大爆炸发生后，经过漫长的演化过程，便形成了今天我们见到的模样。

根据目前的“凝结模型”理论，太阳系形成于约50亿年前的一团星云。由于地球距离太阳较近，属于一颗“内行星”，所以地球上较轻的物质都被太阳风“吹散”了。最终，地球表现为一颗岩石质的“类地行星”——以铁、氧、硅、镁四大元素为主，而氢、氦这两种宇宙间最常见的轻元素却很少。好在，氧元素帮我们在海洋里锁定了很多氢，才有了蓝色的海洋。否则，生命可能根本无从诞生了。

碳虽然沸点很高，但它很容易形成甲烷、一氧化碳和二氧化碳等在常温常压下为气态的物质。研究发现，在温度超过500K（约230℃）后，行星就难以束缚住碳元素，含碳气体开始大幅度向太空中散逸。（这就是下图中的黑色“悬崖”！）在地球形成之初，内太阳系是一团炽热的“汤”，500K是一个很容易达到的温度。在这种情况下，地球上的碳显然有自己的想法——可以四处散逸、“升华”到太空里。

这一点也被铁陨石中金属核的碳元素含量所证实。

太阳系内，铁陨石大约形成于太阳系诞生后一百万年以内，因此，可将其视为原始地球化学成分的样品。明尼苏达州大学地球与环境科学教授赫希曼（Hirschmann）在《美国国家科学院院刊》上发表了文章，指出地球形成之初的碳含量可能只有140ppm（ppm即part per million，百万分之一）。

这实在是微乎其微，要知道，地壳里的碳元素含量都有300ppm左右呢。（其他说法有200-1700ppm不等，但都很少。）

原来，我们的地球在形成之初，就患上了“碳贫乏”综合症。据此，赫希曼说：“这颠覆了以前的想法，行星在积聚过程中会损失掉很多碳。”

这一有趣的现象促使科学家对太阳系形成之初进行了深入研究，他们提出了一个叫做“烟尘线”的概念，在“烟尘线”内（靠近太阳），碳元素几乎没有保留，而在“烟尘线”外，碳元素可以保留相当的量。

经过计算，科学家们发现，在太阳形成之前，太阳系内主要以积聚为主，“烟尘线”相当远，地球也就根本无法保留下来多少碳元素。而当太阳“点亮”之后，太阳系内主要以辐射为主，“烟尘线”也内移到地球轨道之内，地球上可以开始积累碳元素。

碳元素在地壳、地幔里大多数以碳酸盐的形态存在，地核里才是碳元素的大本营，在那里存在着很多的碳化铁（Fe3C7）。针对这一现象，密歇根大学的李洁教授一锤定音——通过地震波研究地核里的化学组分，可得知碳元素约占据着整个地球质量的0.5%（前面提到的300ppm是地壳丰度），这个数字远远超过地球诞生之初。

问题来了，这么多的碳元素是从哪里来的呢？

李洁教授的团队推断，地球上大部分的碳很可能直接从星际介质继承而来。在太阳系形成的最初一百万年内，会存在一系列的小行星，不断将“烟尘线”以外较远处的水和碳运送到地球。

原来，在那个纷乱的时代，小行星这些“不速之客”的来袭，并不只是给地球带来一次次的撞击和灾难，更是带来了太阳系内宝贵的水和碳元素。（在这之前，已经有较确切的证据表明地球上的水主要来自小行星。）

水是生命之源，碳是生命骨架，各种有机物质都是搭建在“碳链”这根神奇的骨架之上。所以，我们地球如今的生机盎然，关键时期都在于这一百万年内。

碳元素在行星上富集的过程很微妙。一方面，碳元素特别容易形成气体物质，散逸到太空里。另一方面，二氧化碳又是一种最有名的温室气体，它会帮助星球锁定热量。如果地球上碳元素过多，就有可能像金星，温度长期处于460-480℃；而如果碳元素过少，就会类似火星，过于荒凉。

从这个意义上来说，地球的位置真是完美，这是造物主的安排，还是人择原理？（简而言之，人择原理意在说明，正是人类的存在，才能解释我们这个宇宙的种种特性）

基于这项研究，科学家们已经将视野推向遥远的深空，继续观测系外行星中的超级地球。在更多数据的支持下，现有理论将会受到更多挑战，也会更加令人信服。

宇宙大爆炸只制造了三、四种化学元素（氢、氦和锂，可能还有铍），之后更“重”的化学元素都来自“恒星元素加工厂”。一代、二代恒星通过核聚变、超新星爆炸将较轻的元素合成更重的元素。（也有重元素来自双中子星合并）从这个角度出发，我们的太阳系、地球乃至地球生命的每个分子、每颗原子都来自它们的贡献，因此，“我们都是群星之子”。

而对于这个课题的研究，也体现出交叉科学的必要性。一个鲜明的例子是，论文《由于不可逆升华引起的早期损失而导致的地球碳贫乏》（Earth’s carbon deficit caused by early loss through irreversible sublimation）的作者竟然来自这么多院校，覆盖了如此之多的专业。

芝加哥大学的地球物理学专业切斯拉教授（Ciesla）说：“虽然研究人员在回答不同领域的方法和具体问题时会有所不同，但要建立一个连贯的故事，就需要确定共同感兴趣的主题，并找到弥合它们之间的知识鸿沟的方法。这样做虽然具有挑战性，但这样的努力既使人鼓舞，又令人振奋。这是非常有益的。”

参考文献：

[1] Science Advance：Earth’s carbon deficit caused by early loss through irreversible sublimation

Li, J., Bergin, E. A., Blake, G. A., Ciesla, F. J., & Hirschmann, M. M. (2021). Earth’s carbon deficit caused by early loss through irreversible sublimation. Science Advances, 7(14), eabd3632.

（文中所有图片均由作者提供）

作者单位：江苏省科普作家协会科幻专业委员会

科学大院是中科院官方科普微平台，由中科院科学传播局主办、中国科普博览团队运营，致力于最新科研成果的深度解读、社会热点事件的科学发声。