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太陽系里的所有行星,除了地球之外, 火星可說是公認最有孕育生命潛力的了,可能現在有生命存在,也可能是曾經有生命.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活動等,這些可能正是微生物所需要的.

而另一個經常被列入討論,認為可能有外星生物存在的,則是土星的最大衛星--泰坦(Titan,或稱“土衛六”).剛生成的泰坦,曾經有利于生命前驅分子形成的環境有毒氣體檢測儀,有些科學家相信泰坦上曾經有生命,甚至可能現在就正有生命存在著.

使這些可能性更引人關注的是,天文學家研究這兩個天體時,都偵測到一種經常伴隨生命出現、與生命息息相關的氣體--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,而且都相當合理,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,都有大量的液態水,并且伴隨著出乎意料的地球化學活動.如果能夠了解這些天體上甲烷的來源與命運,將可以得到至關重要的線索,使我們得以更了解太陽系內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化學作用后的產物.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菌作用后的新陳代謝產物.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,火山作用所產生的甲烷占總量不到0.2%,而且經由火山作用所排出的,甚至可能是古代有機體所產生的甲烷.相較之下,來自非生命作用的甲烷,例如工業過程所產生的,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,有三個獨立的研究團隊宣布在火星大氣中發現甲烷.美國航天總署(NASA)哥達德太空飛行中心的孟瑪(EThael Mumma)帶領研究團隊,利用位在夏威夷的紅外線望遠鏡與位在智利的雙子星天文臺南座望遠鏡,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研究所的佛米沙諾(Vittorio Formisano)與同事(包含我)分析了數千個搜集自火星快遞軌道衛星的紅外線光譜,我們發現的甲烷含量低得多,約0～35ppbv.一般行星的平均值約接近10ppbv.后來,美國天主教大學的斯若波斯基(Vladimir Krasnopolsky)和同事利用加法夏望遠鏡(CFHT)測量到的行星平均值約為10ppbv,不過因為訊號與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.

孟瑪的研究團隊正在重新分析他們的資料,想找出為什么數值會有這么大的差距.以目前來說,我會把10ppbv的值當做是最有可能的,這樣的甲烷濃度(單位體積的分子數)相當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.

雖然天文學家早在1944年就已經偵測到泰坦上的甲烷,不過這只是當時發現氮的附加發現,過了36年,氮的發現廣泛引起各界對這個寒冷且遙遠衛星的興趣.氮是胺基酸與核酸等生物分子的關鍵成份,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.甲烷是碳氫化合物霾的來源,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,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,氮氣就會凝結形成液態的雨,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,因為掀去了覆蓋的面紗,泰坦荒涼的地表將得以赤裸裸地呈現,在地球上可以用望遠鏡直接看清楚,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、化學與生物作用的相關知識應用在火星上,有助于縮小可能的來源范圍,而許多相同的論點應用在泰坦上也相當吻合.

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,甲烷濃度因凝結而降為原本的1/e倍(e為數學常數,約2.7182818284)或約1/3倍時所花費的時間,在火星上是300～600年.甲烷生命期會依水氣含量(隨季節改變)、太陽輻射強度(隨著火星公轉而周期性變化)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,而且含氧分子的數量也稀少許多,因此甲烷生命期可以長達1000萬~1億年(在地質時間尺度來講仍然算短).

在火星上,甲烷的生命期夠長,風和擴散作用應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,甲烷濃度隨著地點而改變的這個觀測結果,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,或是在某些地區會因土壤吸收而減少.容易和甲烷發生化學反應的土壤,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制在運作,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,因為這顆紅色行星上的甲烷含量很低,如果一個機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,每年所產生的甲烷必須略多于100公噸,這大約是地球上甲烷產生率的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.火星上的火山已經沉寂了數億年,而且,如果火山爆發噴發出甲烷,應該同時也會噴發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.外層空間來的貢獻看來也相當微小,根據估計,每年約有2000公噸的微流星體塵埃來到火星表面,其中碳的質量占不到1%,即使這些物質大多被氧化,也只會是甲烷不太重要的來源.彗星的整體質量中,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,經過一段時間后,在大氣中的含量降低到了目前的數值.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該會均勻分布,這和觀測結果相矛盾.

作業幫用戶2017-10-15 舉報

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