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火星上的甲烷来自哪里?

2017-09-07 09:09:42 | 标签:火星,甲烷 | 作者:大科技 | 编辑:魏千 | 阅读数量:173 | 文章来源:大科技科学之谜

我们知道,在地球上,95%的甲烷是生物制造的。被称为产甲烷菌的一类细菌栖息于湿地中,以有机物质为食,排出甲烷,它们释放的甲烷占地球大气中甲烷的近四分之一。而牛的肠道细菌则是第二大甲烷制造者。



  我们知道,在地球上,95%的甲烷是生物制造的。被称为产甲烷菌的一类细菌栖息于湿地中,以有机物质为食,排出甲烷,它们释放的甲烷占地球大气中甲烷的近四分之一。而牛的肠道细菌则是第二大甲烷制造者。

  但科学家们却意外地在一个另外星球——火星上发现了甲烷。

  

  火星上的甲

  2003年,美国天文学家们利用大型望远镜,捕捉到了火星甲烷的红外光谱指纹,他们发现在火星的大气层中,应该有一大团甲烷气体,含有将近一万九千吨的甲烷。这怎么可能呢?

  今天的火星是一个异常寒冷的沙漠星球,由于大气稀薄,在火星高层大气层,强烈的紫外线会将大气中的甲烷分子分解掉;在低层大气,当水分子被紫外线分解时,大气中的氧原子和羟基(OH)也会氧化甲烷。所以,在没有补充的情况下,甲烷在火星大气层中只能存在约300~600年。

  我们都知道火星表面是没有生命的,但非常奇怪的是频繁到访火星的彗星和星际尘埃颗粒在过去的45亿年间应该也会携带有机物,为什么没有形成生命呢?也许答案就在于火星的地表。火星尘卷、风暴会产生强烈的静电场,触发过氧化氢的化学合成。过氧化氢是一种强氧化剂,现在其水溶液常常被用于医用伤口消毒及环境消毒,同样,火星表面生成的大量过氧化氢,将能够迅速消毒火星表面,清除有机物。另一方面,氧化剂会加速甲烷在火星大气层中的流失,所以火星大气中存在的甲烷难以解释。

  由于这次观察是在地面观测,观测结果可能也会受到地球自身空气中甲烷浓度的影响,科学家们害怕是由于计算错误,不敢发表研究结果。但后续的研究,特别是NASA的好奇号探测器在火星上收集到的数据证明,火星上的甲烷确实存在,大约为大气浓度的十亿分之一,每年在火星大气中流动的甲烷气体大约有200吨。

  所以,在火星上,一定有着能持续补充甲烷气体的来源。它会是什么呢?

  可能的来源途径

  虽然今天地球上的甲烷主要来自微生物,但甲烷也有许多非生物性来源。

  火山喷发可能会释放甲烷,然而在火星上,火山已经数亿年不再活动,即便真的是火山喷发出了甲烷,也会同时释放出大量的二氧化硫,但在火星的大气中却没有检测到硫化物。

  火星上的甲烷来自外太空也不太可能。每年,大约有2000吨微型陨石粉尘会到达火星表面。但碳所占的比重少于1%,而且大部分被氧化,因此不会是甲烷的主要来源。

  不过,彗星所含的甲烷约占总体积的1%,只要质量适当,彗星有可能为火星“输送”大量的甲烷气体。彗星平均每6000万年才大规模撞击一次火星。那么,会不会在过去,曾经有彗星造访了火星呢?

  科学家们推测,100年前直径200米的彗星或2000年前直径500米的彗星,如果撞击了火星,它们所携带的有机物质会被太阳紫外线分解成甲烷,就可以解释当前在火星上观测到的甲烷量。但这个推测同样遇到了一个问题,在彗星撞击后,甲烷在撞击区域的浓度会突然上升,但最长只需要几个月的时间,由于风的作用或者气体扩散,甲烷就会均匀分布在整个火星大气层中。但在今天的火星大气中,甲烷的分布是不均匀的,浓度会随着季节和地点而改变。

  根据好奇号的发现,在三年内,它在火星上观察到了甲烷的浓度略低于1 ppbv。ppbv表示气体的浓度单位,意思为该气体体积占总气体体积的十亿分之一。但在两个月期间,火星大气中的甲烷浓度会增加到7ppbv。7ppbv这一值太高了,彗星、陨石或尘埃都无法解释。所以甲烷一定是来自火星内部。

  

  最后的可能来源

  那么,最后剩下了两个可能的来源:地下水化学反应和微生物。

  在地球温暖而富含矿物质的深海热泉中,那些富含铁或镁的岩石与液态水作用后可以产生氢。随后,氢与碳粒、二氧化碳、一氧化碳或含碳矿物质反应后会产生甲烷。

  这一反应的关键因素是氢、碳、金属(作为催化剂)和压力,火星拥有所有这些关键因素。但是另外一个影响因素是地质热源,海底生成甲烷的化学反应一般要求温度在350℃~400℃的海水中,最低温度也要求是30℃~90℃。然而,现在火星的表面平均温度只有约-65℃,这怎么可能呢?

  也有科学家们认为:虽然火星很多环形山中间都被冰覆盖,但在火星的含水层可能存在着让甲烷生成的适宜温度,火星形成时的剩余热量以及其内部放射性元素的衰减可能融化了这一层的几乎所有的冰,所以液态水可以一直延伸到岩心。

  火星上存在微生物?

  除了火星地下水化学反应可以产生甲烷,在火星上,如果真的存在微生物的话,实际上这些微生物也能释放甲烷。在地球上,产甲烷菌会消耗氢、二氧化碳或一氧化碳,副产物则是甲烷,这种微生物属于原核生物中的古生菌,不能呼吸氧气,对它们来说,氧气具有致命毒性,它们只能栖息在地面下深处、深海热水口、食草动物内脏等缺氧环境中。

  由于产甲烷菌既不需要氧气,也不需要光合作用,这意味着它们可以生存在火星地表之下,这样就可以躲避火星上强烈紫外线的“轰炸”。在火星上,它们也会有源源不断的营养物质供应:火星上的岩石和大气中富含的二氧化碳、一氧化碳。当地下水经过化学反应产生甲烷时,也会产生氢气,或者是火星大气中的氢气会渗透到土壤中。

  然而,火星大气压极低,让生命很难存在。在一个火星年中,火星地表压力值只有地球地表压力值的百分之一到千分之一。相比之下,地球上的最高点——珠穆朗玛峰的顶部,压力也只是地表压力值的三分之一。这一压力太小,让火星表面上的液态水难以存在,因此在如此稀薄的空气中,水容易沸腾。那么,产甲烷菌能够在如此稀薄的大气中生存吗?

  美国阿肯色大学的研究人员做了一组实验,他们挑选了四种甲烷菌,花了20年时间,研究这些甲烷菌在模拟的火星环境中是否能够存活。

  他们往试管中注入液体,模拟可能在火星地下含水层中存在的液体;液体中放置棉签,棉签上覆盖着泥土,以此模拟火星地表;每个试管内部都承受着较低的压力。研究人员最终发现,四种甲烷菌在压力大约只有地表压力的六千分之一的环境中,都成功地存活了下来,存活时间为3~21天。这一试验表明,对于某些物种来说,低压环境不会对生物体的生存产生任何影响。在火星上,真的有可能存在甲烷菌。

  一旦火星上的甲烷由地下水化学反应形成或微生物形成,甲烷可以以稳定的笼形水合物储存,这种化学结构就像用笼子圈住动物一样,将甲烷分子“捕获”,随后由于地质变动,甲烷由火星地表裂缝逃逸到大气层中,这就可以解释科学家们为什么能在火星大气层中检测到甲烷,而且为什么甲烷浓度较高的区域,往往是含有地下水冰的地区。

  无论是液态水和岩石的化学反应生成,还是微生物生成,这无疑都是两个非常好的消息,因为这将暗示着火星上可能真的存在生命。当然,要真想确定火星上生命的存在,还需要大量的实地测量和验证。

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