地球上の水の起源

Miozziら（2025）は^{[ 30 ]}、水素を含んだマグマオーシャンが4000 Kを超える周囲温度で地球上に存在した可能性があると提唱している^{[ 30 ]。Miozzi}ら（2025）の実験では、16～60 GPaの圧力への依存性は低いものの、4000 Kのマグマ溶融物に大量の水素が溶解することがわかった。さらに、水素による酸化鉄の還元は、鉄の塊の形成とともに、かなりの量の水を生成する。^{[ 30 ]}

水は、太陽系の地球型惑星を構成する鉄やケイ酸塩などの他の物質よりも凝縮温度がはるかに低い。^{[ 31 ]}太陽に最も近い原始惑星系円盤の領域は、太陽系の歴史の初期には非常に高温で、温度は500～1500ケルビンまたは200～1200℃の範囲であったため、地球が形成されるときに水の海が凝縮することはあり得ない。^{[ 32 ]}若い太陽からさらに離れた温度の低い場所では、水が凝縮して氷の微惑星を形成し、それが集まってオールトの雲を形成した。^{[ 33 ]}太陽系の初期に氷が形成される可能性のある領域の境界は、霜線（または雪線）として知られており、太陽から約2.7～3.1天文単位（AU）の間の現代の小惑星帯に位置している。^{[ 34 ] [ 35 ]}したがって、霜線より外側で形成された天体（彗星、太陽系外縁天体、水に富む流星物質（原始惑星）など）が地球に水をもたらしたことは必要である。しかし、この水がもたらされた時期については依然として疑問が残る。

ある仮説では、地球は約45億年前に氷の微惑星を集積（蓄積によって徐々に成長）したと主張されています。当時の地球の大きさは現在の大きさの60～90%でした。^{[ 26 ]}このシナリオでは、地球は集積と大規模な衝突イベントの間、何らかの形で水を保持することができました。この仮説は、太陽系の小惑星帯に由来する既知の最古の炭素質コンドライト隕石とベスタ隕石の水の存在量と同位体比の類似性によって裏付けられています。^{[ 36 ] [ 37 ]}また、オスミウム同位体比の研究によっても裏付けられており、地球が初期に集積した物質にはかなりの量の水が含まれていたことを示唆しています。^{[ 38 ] [ 39 ]}アポロ15号と17号のミッションで採取された月のサンプルの化学組成の測定結果はこれをさらに裏付けており、月が形成される前に地球上に水が存在していたことを示している。^{[ 40 ]}

この仮説の問題点の1つは、地球の大気の希ガス同位体比がマントルのそれと異なり、異なる起源から形成されたことを示唆している点である。^{[ 41 ] [ 42 ]}この観測結果を説明するために、いわゆる「後期ベニア」理論が提唱されており、水は月形成衝突後の地球の歴史のずっと後になってから供給されたとされている。^{[ 43 ]}しかし、現在の地球形成の理解では、地球の物質の1%未満が月形成後に集積したとされており、後から集積した物質は非常に水に富んでいたに違いない。初期の太陽系力学のモデルでは、木星が太陽に近づいた場合、この期間に氷の小惑星が内太陽系（地球を含む）に運ばれた可能性があることが示されている。^{[ 44 ]}しかし、木星の比較的急速な発達により、内太陽系が外太陽系から物質を受け取ることが難しくなり、地球型惑星への水の蓄積が制限された。^{[ 3 ]}これは、固体の氷が雪玉惑星を形成したり、気体の水蒸気がガス惑星を形成したりするのとは対照的に、液体の水、ひいては私たちが知っているような生命が存在できるハビタブルゾーンの条件などの他の要因に加えてのことである。^{[ 45 ]}

しかし、2019年の研究によるモリブデン同位体比の証拠に裏付けられた3つ目の仮説は、地球の水の大部分が月の形成を引き起こしたのと同じ惑星間衝突から得られたことを示唆している。 ^{[ 46 ]}ただし、前述のように、この水の大部分は惑星が大幅に冷却されるまで気体状態のままであっただろう。^{[ 47 ]}

2019年の証拠は、地球のマントルのモリブデン同位体組成が太陽系の外縁部に由来し、地球に水をもたらした可能性が高いことを示している。その説明としては、巨大衝突仮説で45億年前に地球に衝突して月を形成したとされる惑星テイアは、太陽系の内縁部ではなく外縁部に起源を持ち、水と炭素系物質をもたらした可能性があるということである。^{[ 46 ]}

地球の海水の重水素と水素の比率は、(1.5576 ± 0.0005) × 10 ⁻⁴と非常に正確に知られています。^{[ 49 ]}この値は、地球の貯水池に寄与したすべての供給源の混合物を表しており、地球の水の供給源を特定するために使用されます。重水素と水素の比率は、地球の寿命の間に、地球の起源の比率の 2 ～ 9 倍に増加しました。これは、軽い同位体が大気損失プロセスで宇宙に漏れやすいためです。^{[ 25 ] [ 50 ]}地殻の下の水素は、これらのプロセスの影響を受けにくいため、地球形成時の元の D/H 比率をよりよく表している D/H 比率を持っていると考えられています。最近放出された溶岩に含まれる地下水素の分析により、原始地球の D/H 比率は現在の比率よりも218 ‰高いことが示されています。 ^{[ 51 ]}地球の D/H 比を時間とともに低下させるプロセスは知られていない。^{[ 52 ]}この軽い同位体の喪失は、金星の D/H 比が非常に高い理由の 1 つは、暴走温室効果中に金星の水が蒸発し、その後、水素の大部分が宇宙に失われたためである。^{[ 53 ]}

複数の地球化学的研究により、小惑星が地球の水の主要な供給源である可能性が最も高いと結論付けられています。^{[ 54 ]} 太陽系で最も古い隕石のサブクラスである炭素質コンドライトは、海水と最も類似した同位体レベルを持っています。 ^{[ 55 ] [ 56 ]}特に炭素質コンドライトのCIおよびCMサブクラスは、地球の海水と非常によく似た水素および窒素同位体レベルを持っており、これらの隕石中の水が地球の海洋の供給源である可能性を示唆しています。 ^{[ 57 ]}地球上で発見された45億年前の2つの隕石には、液体の水と多様な重水素に乏しい有機化合物が含まれており、これがさらにこのことを裏付けています。^{[ 58 ]}地球の現在の重水素と水素の比率は、外側小惑星帯の小惑星ベスタに由来する古代のユークライトコンドライトとも一致しています。^{[ 37 ]} CI、CM、およびユークライトコンドライトは、後に地球に水をもたらした外側小惑星帯の古代の氷の原始惑星と同じ水分量と同位体比を持っていると考えられている。^{[ 59 ]}

小惑星粒子のさらなる研究により、地球の水の大きな供給源は、太陽風の粒子に運ばれた水素原子が小惑星上で酸素と結合し、宇宙塵となって地球に到達したという説が裏付けられた。原子プローブ断層撮影法を用いた研究では、日本の宇宙探査機「はやぶさ」が小惑星25143イトカワから採取した粒子の単一の粒子の表面に水酸化物と水分子が見つかった。^{[ 60 ] [ 61 ]}

彗星は、塵と氷でできたキロメートルサイズの天体で、カイパーベルト（20～50天文単位）とオールトの雲（5,000天文単位以上）を起源としますが、非常に楕円形の軌道を描いて太陽系内側へと移動します。その氷質の組成と、太陽系内側へと到達する軌道のため、彗星はD/H比の遠隔測定および現地測定の対象となります。

地球の水が彗星のみに由来するとは考えにくい。ハレー彗星、百武彗星、ヘール・ボップ彗星、C/2002 T7 (LINEAR)彗星、8P/タットル彗星の重水素と水素の同位体比 (D/H) の測定結果から、海洋水の約 2 倍の値が得られるからである。^{[ 62 ] [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]}これは、炭素と窒素の同位体比の比較を用いた分析によっても裏付けられており、地球上に存在する水のわずか数パーセントしか彗星由来ではないとされ、小惑星物質の流入に大きく依存していることが示されている。^{[ 66 ]}彗星の D/H 比を用いると、地球の水の 10% 未満が彗星から供給されたとモデルは予測している。^{[ 67 ]}

木星族彗星と呼ばれる他の短周期彗星（20年未満）は、おそらくカイパーベルトに由来するが、木星や海王星との重力相互作用によって軌道が影響を受けている。^{[ 68 ]} 67P/チュリュモフ・ゲラシメンコはそのような彗星の1つで、ロゼッタ探査機による同位体測定の対象となり、その彗星のD/H比は地球の海水の3倍であることがわかった。^{[ 69 ]}木星族彗星のもう1つである103P/ハートレー2は、地球の海水と一致するD/H比を持つが、窒素同位体レベルは地球と一致しない。^{[ 65 ] [ 70 ]}