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C從哪里來？

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我們都是群星之子！
——卡爾薩根
大約在138億年前，宇宙處于一種能量與密度極大，溫度極高的狀態。在大爆炸發生后，經過漫長的演化過程，便形成了今天我們見到的模樣。
宇宙大爆炸只制造了三、四種化學元素（氫、氦和鋰，可能還有鈹），之后更“重”的化學元素都來自“恒星元素加工廠”。一代、二代恒星通過核聚變、超新星爆炸將較輕的元素合成更重的元素。（也有重元素來自雙中子星合并）從這個角度出發，我們的太陽系、地球乃至地球生命的每個分子、每顆原子都來自它們的貢獻，因此，“我們都是群星之子”。
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我們都是群星之子（圖片來源：wiki）
一開始的地球，其實很缺碳
根據目前的“凝結模型”理論，太陽系形成于約50億年前的一團星云。由于地球距離太陽較近，屬于一顆“內行星”，所以地球上較輕的物質都被太陽風“吹散”了。最終，地球表現為一顆巖石質的“類地行星”——以鐵、氧、硅、鎂四大元素為主，而氫、氦這兩種宇宙間最常見的輕元素卻很少。好在，氧元素幫我們在海洋里鎖定了很多氫，才有了藍色的海洋。否則，生命可能根本無從誕生了。
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藝術想象圖，太陽系形成之初的行星盤，地球正是誕生于此（圖片來源：wiki）
碳雖然沸點很高，但它很容易形成甲烷、一氧化碳和二氧化碳等在常溫常壓下為氣態的物質。研究發現，在溫度超過500K（約230℃）后，行星就難以束縛住碳元素，含碳氣體開始大幅度向太空中散逸。（這就是下圖中的黑色“懸崖”！）在地球形成之初，內太陽系是一團熾熱的“湯”，500K是一個很容易達到的溫度。在這種情況下，地球上的碳顯然有自己的想法——可以四處散逸、“升華”到太空里。
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右上角灰色粗線為碳元素的升華序列，當原初星云溫度達到約500 K時，它會急劇下降一個數量級以上。這體現為更多的碳都丟失了，導致行星“碳貧乏”。
（圖片來源：science advances）
這一點也被鐵隕石中金屬核的碳元素含量所證實。
太陽系內，鐵隕石大約形成于太陽系誕生后一百萬年以內，因此，可將其視為原始地球化學成分的樣品。明尼蘇達州大學地球與環境科學教授赫希曼（Hirschmann）在《美國國家科學院院刊》上發表了文章，指出地球形成之初的碳含量可能只有140ppm（ppm即part per million，百萬分之一）。
這實在是微乎其微，要知道，地殼里的碳元素含量都有300ppm左右呢。（其他說法有200-1700ppm不等，但都很少。）
原來，我們的地球在形成之初，就患上了“碳貧乏”綜合癥。據此，赫希曼說：“這顛覆了以前的想法，行星在積聚過程中會損失掉很多碳。”
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明尼蘇達州大學地球與環境科學教授赫希曼（Hirschmann）（圖片來源：明尼蘇達大學）
煙塵線是什么線
這一有趣的現象促使科學家對太陽系形成之初進行了深入研究，他們提出了一個叫做“煙塵線”的概念，在“煙塵線”內（靠近太陽），碳元素幾乎沒有保留，而在“煙塵線”外，碳元素可以保留相當的量。
經過計算，科學家們發現，在太陽形成之前，太陽系內主要以積聚為主，“煙塵線”相當遠，地球也就根本無法保留下來多少碳元素。而當太陽“點亮”之后，太陽系內主要以輻射為主，“煙塵線”也內移到地球軌道之內，地球上可以開始積累碳元素。
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“煙塵線”示意圖：紅線（煙塵線）以內，富碳物質很少。在以吸積為主的盤狀階段（下半部分），它離原始太陽很遠。在一百萬年后，過渡到以輻射為主的時代（上半部分），煙塵線遷移到地球的當前軌道以內。（圖片來源：science advances）
碳元素在地殼、地幔里大多數以碳酸鹽的形態存在，地核里才是碳元素的大本營，在那里存在著很多的碳化鐵（Fe3C7）。針對這一現象，密歇根大學的李潔教授一錘定音——通過地震波研究地核里的化學組分，可得知碳元素約占據著整個地球質量的0.5%（前面提到的300ppm是地殼豐度），這個數字遠遠超過地球誕生之初。

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