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水，是大家再熟悉不过的东西，每天的衣食住行都离不开它。但不知道各位有没有想过一个问题：早期地球上的水里混杂着各种重金属、矿物质以及溶解气体，与现代淡水完全不同。这锅“浓汤”是什么时候“变淡”的？
在回答这个问题之前，我们需要先了解什么是水循环。
水循环是指地球上各种形态的水，在太阳辐射、地球引力等作用下，通过 蒸发、水汽输送、凝结降落、下渗和径流等环节，不断发生的周而复始的运动过程（水相不断转变的过程）。水循环主要包括分类：海陆间循环、陆地内循环和海上内循环。
海陆间循环指的是海水蒸发成水汽进入大气，水汽随气流移动并在陆地上冷却凝结为降水，降水形成地表径流和地下水流回海洋。而陆地内循环和海上内循环则不同于海陆间循环。陆地内循环是降水直接在陆地上被蒸发或植物蒸腾返回大气，不直接涉及海洋。海上内循环是完全发生在海洋上的水汽蒸发和凝结过程。
水循环使得全球维持水量平衡，确保水资源的持续可用性。同时，可以更新和补充陆地上的淡水资源，使之成为可再生资源；还能调节全球热量平衡，通过水的相变（蒸发吸热、凝结放热）影响气候。不仅如此，还能塑造地表形态，如通过侵蚀、搬运和沉积作用改变地形。
地球上自出现水以来，就一直处于这样的循环当中。在这个过程中，地下水会渗透到地壳深部，参与岩浆的形成。所以，岩浆冷却结晶形成的矿物当中就会保留水的同位素信息。近期，科学家通过分析古老锆石中的氧同位素比例来推断出了地球淡水出现的时间。
锆石是一种常见的矿物，一般是火山岩浆冷却的副产物。由于极高的耐热性和化学稳定性，锆石能够在极端地质条件下不被破坏，保存下来，所以它经常被科学家当成存储了地球早期同位素比值等化学信息的“硬盘”，其中包含了有关地球内部构造、地壳形成以及环境条件等方面的关键信息。
那锆石是如何记录地球淡水形成的信息的呢？
氧有三种稳定同位素(16O、17O、18O)，其中18O原子质量比其他两种氧同位素大，更重，更容易在蒸发过程中留在液体水中，而更轻的16O则更容易飞起来进入水汽中。蒸发过程中，水汽中16O 的含量会高于原始水体，相应地，原始水体中18O 的比例也会比之前更高。这个过程叫做同位素分馏。在水通过降雨返回地面并最终流入海洋这个循环过程中，随着水汽移动和冷却,18O会优先凝结降落到海洋中，剩余水汽16O的含量越来越高。这就导致海洋中18O的含量越来越高，远离海洋的降水中，16O含量更高。
如果锆石中记录的氧同位素比值显示出与现代淡水相近的特征，说明当时可能已经存在类似现代的淡水循环系统。
这项研究成果或将地球淡水出现时间至少提前8亿年，远早于之前认为的约32亿年前。这就意味着可能在约40亿年前，地球上就已出现陆地和淡水。
该发现挑战并修正了我们对地球早期环境演化的理解，这一成果对于探索其他行星或卫星上是否存在或曾经存在适宜生命条件提供了新的视角和标准，有助于指导我们在宇宙中寻找外星生命的策略。此外，它还强调了地球系统科学中长期水循环过程的重要性，为理解气候变化和预测未来水资源趋势提供了更深远的背景。
本文为科普中国·创作培育计划扶持作品
作者：董汉文
审核：肖龙 中国地质大学 教授
出品：中国科协科普部
监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司
