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太陽系里的所有行星,除了地球之外, 火星可說是公認(rèn)最有孕育生命潛力的了,可能現(xiàn)在有生命存在,也可能是曾經(jīng)有生命.火星有許多與地球相似的特性,例如：形成過程、早期氣候史、有水儲存甲烷,以及火山和其它地質(zhì)活動等,這些可能正是微生物所需要的.

而另一個經(jīng)常被列入討論,認(rèn)為可能有外星生物存在的,則是土星的最大衛(wèi)星--泰坦(Titan,或稱“土衛(wèi)六”).剛生成的泰坦,曾經(jīng)有利于生命前驅(qū)分子形成的環(huán)境有毒氣體檢測儀,有些科學(xué)家相信泰坦上曾經(jīng)有生命,甚至可能現(xiàn)在就正有生命存在著.

使這些可能性更引人關(guān)注的是,天文學(xué)家研究這兩個天體時,都偵測到一種經(jīng)常伴隨生命出現(xiàn)、與生命息息相關(guān)的氣體--甲烷.火星上的甲烷量雖不多,但很顯著；而泰坦則幾乎為甲烷所覆蓋.

甲烷來自生物的可能性,不亞于來自地質(zhì)活動的可能性,就算在泰坦上不是,至少在火星上是如此.這兩種可能性以不同的方式解釋甲烷的出現(xiàn),而且都相當(dāng)合理,這顯示我們在宇宙中或許沒有那么孤單,不然就是在火星與泰坦的地底下,都有大量的液態(tài)水,并且伴隨著出乎意料的地球化學(xué)活動.如果能夠了解這些天體上甲烷的來源與命運(yùn),將可以得到至關(guān)重要的線索,使我們得以更了解太陽系內(nèi)甚至太陽系外那些類似地球的天體,包含其形塑過程、演化和生命存在的可能性.

在木星、土星、天王星與海王星這些巨行星上,甲烷的含量很高,這是原始太陽星云經(jīng)化學(xué)作用后的產(chǎn)物.不過在地球的大氣中,甲烷卻屬于特殊氣體,含量只有1750ppbv(1ppbv表示體積比率為10億分之一),其中有90～95%是來自生物.草食性的有蹄動物如牛、羊和牦牛等,排出的甲烷占全球甲烷年排放量的1/5；這些氣體是來自它們腸子里細(xì)菌作用后的新陳代謝產(chǎn)物.其它重要的來源,包含了白蟻、稻田、沼澤以及天然氣(天然氣也是古代生命所形成),還有赤道雨林植物也會釋出甲烷(請參見2007年3月號〈植物、甲烷與全球暖化〉).

在地球上,火山作用所產(chǎn)生的甲烷占總量不到0.2%,而且經(jīng)由火山作用所排出的,甚至可能是古代有機(jī)體所產(chǎn)生的甲烷.相較之下,來自非生命作用的甲烷,例如工業(yè)過程所產(chǎn)生的,就不是那么重要了.因此,一旦在其它類似地球的天體上偵測到甲烷,自然也就提高了該天體有生命存在的可能性.

大氣層中的角色

就在2003與2004年,有三個獨(dú)立的研究團(tuán)隊(duì)宣布在火星大氣中發(fā)現(xiàn)甲烷.美國航天總署(NASA)哥達(dá)德太空飛行中心的孟瑪(EThael Mumma)帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì),利用位在夏威夷的紅外線望遠(yuǎn)鏡與位在智利的雙子星天文臺南座望遠(yuǎn)鏡,以高分辨率光譜儀偵測到火星上甲烷的濃度超過250ppbv,濃度隨著地點(diǎn)而不同,可能也會隨著時間而變.

任職于羅馬物理與行星際科學(xué)研究所的佛米沙諾(Vittorio Formisano)與同事(包含我)分析了數(shù)千個搜集自火星快遞軌道衛(wèi)星的紅外線光譜,我們發(fā)現(xiàn)的甲烷含量低得多,約0～35ppbv.一般行星的平均值約接近10ppbv.后來,美國天主教大學(xué)的斯若波斯基(Vladimir Krasnopolsky)和同事利用加法夏望遠(yuǎn)鏡(CFHT)測量到的行星平均值約為10ppbv,不過因?yàn)橛嵦柵c空間解析力不夠甲烷,他們無法測量到在行星上的變化情形.

孟瑪?shù)难芯繄F(tuán)隊(duì)正在重新分析他們的資料,想找出為什么數(shù)值會有這么大的差距.以目前來說,我會把10ppbv的值當(dāng)做是最有可能的,這樣的甲烷濃度(單位體積的分子數(shù))相當(dāng)于地球大氣中甲烷濃度的十萬分之四.不過,即使是這么低的含量,也仍需要解釋.

雖然天文學(xué)家早在1944年就已經(jīng)偵測到泰坦上的甲烷,不過這只是當(dāng)時發(fā)現(xiàn)氮的附加發(fā)現(xiàn),過了36年,氮的發(fā)現(xiàn)廣泛引起各界對這個寒冷且遙遠(yuǎn)衛(wèi)星的興趣.氮是胺基酸與核酸等生物分子的關(guān)鍵成份,所以大氣中含有氮和甲烷,加上地面氣壓是地球大氣壓力的1.5倍,可能正提供了生命前驅(qū)分子所需的要素,有些人推測,這里甚至可能有生命形成.

要維持泰坦厚重且充滿氮的大氣,甲烷扮演著具控制性的中心角色.甲烷是碳?xì)浠衔秭驳膩碓?它吸收了太陽的紅外線輻射,并且使平流層增溫將近100℃,在對流層內(nèi),則是氫分子的碰撞使對流層升溫20℃.如果甲烷用盡,溫度會下降,氮?dú)饩蜁Y(jié)形成液態(tài)的雨,大氣也因而瓦解氫氣報警器,泰坦的特性將會永久改變,它的煙霧和云會消散.看似一直在雕刻著地表的甲烷雨會停止,湖泊、水坑與河流將會干涸.而且,因?yàn)橄迫チ烁采w的面紗,泰坦荒涼的地表將得以赤裸裸地呈現(xiàn),在地球上可以用望遠(yuǎn)鏡直接看清楚,那么,泰坦將不再具有神秘感,并且成為有著薄薄大氣的一顆普通衛(wèi)星.

火星和泰坦上的甲烷,是像地球一樣來自生命?抑或是有其它的解釋,例如火山、彗星與隕石的撞擊?我們把地球物理、化學(xué)與生物作用的相關(guān)知識應(yīng)用在火星上,有助于縮小可能的來源范圍,而許多相同的論點(diǎn)應(yīng)用在泰坦上也相當(dāng)吻合.

陽光下的甲烷

要回答這樣的問題,第一個步驟必須得知甲烷產(chǎn)生或由某處逸出的速率,那么,得先反過來測量大氣中甲烷減少的速率.在火星地表海拔60公里以上,太陽的紫外線輻射會分解甲烷分子,在較低層的大氣,則是水分子會因紫外線光子的照射而分解,形成氧原子和羥基(OH),而使甲烷氧化.在沒有補(bǔ)充的情況之下,甲烷會逐漸由大氣中消失.

甲烷生命期的定義為,在原有的大氣中,甲烷濃度因凝結(jié)而降為原本的1/e倍(e為數(shù)學(xué)常數(shù),約2.7182818284)或約1/3倍時所花費(fèi)的時間,在火星上是300～600年.甲烷生命期會依水氣含量(隨季節(jié)改變)、太陽輻射強(qiáng)度(隨著火星公轉(zhuǎn)而周期性變化)而有所不同.在地球上,相似過程所造成的甲烷生命期約為10年.在泰坦上甲烷,太陽的紫外線輻射弱得多,而且含氧分子的數(shù)量也稀少許多,因此甲烷生命期可以長達(dá)1000萬~1億年(在地質(zhì)時間尺度來講仍然算短).

在火星上,甲烷的生命期夠長,風(fēng)和擴(kuò)散作用應(yīng)該有充裕的時間可以使甲烷與大氣均勻混合才對,這么一來,甲烷濃度隨著地點(diǎn)而改變的這個觀測結(jié)果,就很令人不解了.這表示甲烷氣體可能是來自某些局部地區(qū),或是在某些地區(qū)會因土壤吸收而減少.容易和甲烷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的土壤,可能就是儲存甲烷的地方,它們使甲烷的量加速減少.如果真有這樣額外的儲存機(jī)制在運(yùn)作,那么這就是讓甲烷量得以維持在觀測值的一個重要來源.

下一個步驟是要考慮形成甲烷的可能情形.先研究火星是個不錯的開始,因?yàn)檫@顆紅色行星上的甲烷含量很低,如果一個機(jī)制連這么少的含量都無法解釋,就更別說要解釋泰坦上那么大量的甲烷了.以生命期600年的情形來說,要使全球平均甲烷濃度維持在10ppbv的定值,每年所產(chǎn)生的甲烷必須略多于100公噸,這大約是地球上甲烷產(chǎn)生率的25萬分之一.

和地球上相同的是,火山可能不是最重要的因素.火星上的火山已經(jīng)沉寂了數(shù)億年,而且,如果火山爆發(fā)噴發(fā)出甲烷,應(yīng)該同時也會噴發(fā)出極大量的二氧化硫,但是火星的大氣中卻缺乏含硫化合物.外層空間來的貢獻(xiàn)看來也相當(dāng)微小,根據(jù)估計(jì),每年約有2000公噸的微流星體塵埃來到火星表面,其中碳的質(zhì)量占不到1%,即使這些物質(zhì)大多被氧化,也只會是甲烷不太重要的來源.彗星的整體質(zhì)量中,甲烷占約1%,但是平均每6000萬年彗星才撞擊火星一次,因此,每年彗星所遞送的甲烷量大約一噸,不到所需的1%.

那么,會不會是最近有顆彗星撞上了火星?它帶來大量的甲烷,經(jīng)過一段時間后,在大氣中的含量降低到了目前的數(shù)值.100年前一顆直徑200公尺的彗星撞擊,或是2000年前一顆直徑500公尺的彗星,都可以提供足夠的甲烷,以符合現(xiàn)在觀測到的平均含量10ppbv.但是此想法也遭遇問題：火星上甲烷的分布不是均勻的.要使甲烷在各方向都均勻分布,大約只需幾個月.因此,從彗星撞擊而來的甲烷最終應(yīng)該會均勻分布,這和觀測結(jié)果相矛盾.

作業(yè)幫用戶2017-10-15 舉報

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