岩浆洋如何把氢变成水
想象一下巨型撞击之后的年轻地球：一片覆盖全球的熔融岩石海洋——岩浆洋——上方是一层主要由氢构成的浓密大气。让氢与一种携带额外氧的氧化铁接触，氢就会夺走氧，变成水。这种过程能否在行星尺度上发生？速度又有多快？东京科学大学地球生命科学研究所的Tatsuya Yoshida，与北海道大学、东北大学以及日本情报通信研究机构的同事一起，建立了一个模型来寻找答案。
深处被一分为二的铁
在深层岩浆洋中，在下地幔的压力下，亚铁（FeO，每个铁原子对应一个氧原子）可以发生歧化反应：它按照3 FeO → 2 FeO₁.₅ + Fe分解为金属铁和三价铁（FeO₁.₅，每个铁原子对应一个半氧原子）。根据早先的研究，金属铁沉入地核，对流则把三价铁散布开来，使熔体的氧化程度与今天的地幔大致相当。它与上方的氢反应会有多快？反过来，大气又会对岩浆产生什么影响？许多早先的模型把地幔和岩浆当作一个取之不尽的氧库。
不断下沉的表皮
这个模型把以下过程耦合在一起：氢渗入熔体；氢与三价铁反应（H₂ + 2 FeO₁.₅ → H₂O + 2 FeO）；水和氧化物在大气、岩浆与其下方正在结晶的固态地幔之间的分配；以及行星的冷却。起初，大气中每个水分子约对应十个氢分子。物质的量以N_TO计：一个N_TO所含的氢分子数，与今天海洋中的水分子数相同。岩浆与固态地幔的混合程度未知，因此团队计算了两种极端情况：自由交换（情形1），或者熔体在地幔固化时被困在其中（情形2）。
瓶颈在岩浆的顶部。氢在熔融岩石中的扩散非常缓慢，因此它必须穿过表面一层薄薄的边界层。这层边界层并不会原地不动：它从上方冷却，密度不断增大，直到下沉，由新的熔体取而代之。对于一个炽热而深厚的岩浆洋——表面温度2400开尔文，底部压力50吉帕，每平方米有400瓦的热量逸出——这大约每70秒发生一次。
在这段时间里，氢渗入这层19毫米厚的边界层还不到1毫米。但持续的更新使氢的浓度梯度保持陡峭，因此流入量始终很高：每千年超过0.1 N_TO，平均为0.35。
模型示意：氢从大气扩散进入一层薄薄的边界层，与三价铁反应生成水，边界层随后翻转沉入岩浆洋。在更深处，铁分解为三价铁和金属铁。情形1和情形2的区别在于岩浆与固态地幔交换物质的方式。——图1，Yoshida等（2026），arXiv:2610.38503。
大约一万年
在主要算例中——氢和水总计10 N_TO，岩浆向下延伸到50吉帕——三价铁被消耗，但铁在岩浆洋底部持续分解并将其补充，因此熔体的氧化程度基本保持不变。当大气中的水蒸气与氢大致一样多时，表面就与大气达到化学平衡：这大约需要0.01百万年，即一万年。到那时，把大气和岩浆合在一起计算，氢已从约5 N_TO降到1以下，而水——大部分溶解在熔体中——几乎翻了一番。作者发现，只有当岩浆洋足够深、足够热，能够延伸到下地幔时，才能得到这样的速度。
随后，在情形1中，岩浆洋在一层起着保温毯作用的大气下，用大约200万年冻结。熔体结晶时，水会从中逸出：在情形1中，超过80%的水最终进入了大气。
上：大气中氢（绿色）和水蒸气（蓝色）的压力。下：总量，单位为N_TO。左为情形1；右为情形2。在10⁻²百万年附近，氢骤降而水上升。——图6（a–d），Yoshida等（2026），arXiv:2610.38503。
大气的反作用
晶体形成时，对三价铁的吸收并不均匀。在情形1中，三价铁更偏向固态地幔，熔体会趋向还原性；这时离开岩浆的水会与亚铁反应，大气反过来氧化岩浆。在情形2中，一旦上地幔（地幔最浅的部分）固化，三价铁就会在熔体中积累；这时氢会把它还原。大气起到了缓冲作用，两种情形最终得到的大气大体相似。如果像早先的模型那样关掉这套氧的收支计算，两种情形的结果就会大相径庭。
岩浆洋越深，水越多
在所有模拟中，岩浆洋越深，生成的水越多：更高的压力有利于铁的分解。根据亲铁元素在金属与岩石之间的分配情况推断出的深度范围——底部压力28到53吉帕——超过70%的氢最终变成了水。作者写道，如果年轻地球聚集的氢与今天地核以外整个地球所含的水量相当，即1到10 N_TO，那么这种化学过程就可以解释地球的水量。
火星也符合这一趋势。如果火星曾有过岩浆洋，它最深也只能到达火星的核，即18到19吉帕；模型由此给出的地幔氧化程度远低于地球——这与火星陨石相符，火星陨石的化学组成接近金属铁与氧化铁共存的那个点。
什么可能改变这一图景
模型假设铁液滴立即落入地核；如果它们被对流保持悬浮，就可能使表面保持还原性，从而限制水的生成。高压实验对三价铁的生成量存在分歧。扩散数据只到约1700开尔文为止，反应速率来自固态氧化铁，因此氢的吸收量可能被低估了。此外，模型给出的地幔三价铁与亚铁之比为0.06到0.15，高于今天的0.02到0.06：后来的过程，例如富金属物质的晚期到来，必须把它降下来。
一直富含氢的天空
岩浆洋冻结后，水蒸气应当凝结成地表海洋。剩余的氢会与碳气体和氮气体一起留在大气中；作者认为，它可能帮助生成了甲烷、氨，进而生成了有机化合物，这些化合物可能聚集在那第一片海洋中。在这一图景里，那片海洋中的很大一部分水，最初都是天空中的氢，经由一层大约每分钟下沉并自我更新一次的表皮，被吸入了岩浆。