2025-11-30 12:23:07
作者：武中臣（山东年夜学空间科学与技能学院传授、博士生导师） 从1960年苏联发射首个火星探测器，到美国“毅力”号火星车钻孔取样、我国“天问一号”探测器传回高清火星影像图，太阳系八年夜行星中，火星是人类最想摸索的“红色邻人”，于其淡薄年夜气中藏着让科学家困惑的谜题——极少量却连续存于的甲烷。这类由1个碳原子与4个氢原子组成的简朴份子（CH4），于地球年夜气中的浓度约为1.9ppm（即百万分之一），于火星年夜气中的浓度极低，仅十亿分之几（ppbv级）。地球上甲烷的存于，与生命互相关注。那末，火星的甲烷源在甚么？真的有“火星人”吗？ 公家对于火星摸索热忱高涨。新华社发 公家对于火星摸索热忱高涨。新华社发 甲烷是“可能存于生命的标记” 对于在人类而言，甲烷是一种极其常见的物资。因为其早已经深度融入人类一样平常糊口，凡是难以引起人们的尤其存眷。要搞清科学家为什么执着在火星甲烷，需起首明确要害问题：甲烷为什么会被视作“可能存于生命的标记”？ 于地球上，甲烷与生命险些是“绑定存于”的。如今地球年夜气中，约60%的甲烷来自生物勾当，这种甲烷被称为“生物源甲烷”。湿地里的产甲烷古菌，能于无氧情况下将植物残体、腐臭有机物中的碳及氢合成甲烷并开释到年夜气；牛、羊等动物胃内微生物分化纤维素时发酵产甲烷，随呼吸或者排气排出；煤矿与自然气田的甲烷，则由数万万至数亿年前动植物遗骸经掩埋及持久地质蜕变形成。 正由于甲烷与生命联系关系紧密亲密，科学家形成共鸣：若某行星年夜气存于不变甲烷开释，且能解除非生物来历，便有理由推测该星球可能存于生命勾当——不管是现存生命，还有是过往生命的陈迹。 火星不仅确有甲烷，还有存于非凡征象：浓度随季候变化。2004年，欧洲航天局“火星快车”号初次探测到火星甲烷，浓度约10至50ppbv。动静激发科学界惊动，但也有人质疑：是探测器妨碍，还有是地球年夜气甲烷滋扰了数据？为验证这一发明，后续列国火星探测使命纷纷插手不雅测。2012年，美国“好奇”号火星车于火星盖尔陨石坑着陆，其搭载的“火星样天职析装备”（SAM）可直接收罗火星年夜气样本，经由过程可调谐激光光谱仪精准丈量到了甲烷身分。颠末数年不雅测，“好奇”号不仅证明火星有甲烷，还有发明了要害纪律：火星年夜气甲烷浓度呈季候性颠簸，北半球夏日浓度最高（有时超40ppbv），冬日则降落至靠近仪器检测极限。 更要害的是，甲烷是有“寿命”的。地球年夜气中，甲烷平均能存于9至12年；火星年夜气中甲烷被太阳紫外线分化，能存于约320年。这象征着，若火星没有连续孕育发生甲烷的“来历”，年夜气中的甲烷早该分化殆尽，不成能留存至今。 甲烷的“寿命”与浓度变化的纪律性，指向一个结论：火星上一定存于连续产甲烷的源头，且其“产量”会随季候变化。这让火星甲烷之谜更具吸引力——于情况卑劣的火星上，毕竟是甚么能“季候性产甲烷”？ 源自微生物的“呼吸”？ 既然地球上年夜部门甲烷源自生命勾当，科学家推测：火星上是否也存于能产甲烷的微生物？ 于地球极度情况中，确凿有产甲烷古菌，其最凸起的能力，是可以于彻底无氧的情况中保存，还有能用简朴物资合成甲烷。从理论上看，火星地下也许存于近似微生物。火星外貌情况卑劣，白日最高温约20℃，夜间可降至-80℃如下；年夜气淡薄，没法抵御太阳紫外线及宇宙射线粉碎生物DNA；行星外貌干燥、缺少液态水，不相宜生命存活。但微生物若藏身地下则差别——地下200米如下能阻遏辐射、维持不变温度，加上火星极地冰盖与地下可能存于的盐水层可提供液态水，这些都为微生物保存创造了前提。不外，这一料想还有面对两个实际难题。 第一个难题是“食品”匮乏。产甲烷古菌天生甲烷需足够“原料”，若火星地下真有这种古菌，要维持火星年夜气现有甲烷浓度，每一年需耗损约260吨有机物，或者等量的氢气与二氧化碳。但今朝人类于火星上，还没有发明云云范围的有机物。 另外一个难题是“保存与运输”的抵牾。即便火星地下200米处确凿存于产甲烷古菌，其孕育发生的甲烷要抵达年夜气，也需泯灭漫永劫间。据估算，从地下200米扩散到火星外貌，可能需要几千年甚至上万年。但“好奇”号不雅测到的甲烷浓度呈季候性颠簸——夏日升高、冬日降低，周期约为2个地球年。若甲烷需几千年才能达到地表，地表不雅测到的浓度理应连结不变，毫不可能呈现云云显著的季候变化。是以，要证明这一料想，还有需更多探测数据支撑。 源自地质勾当？ 既然生物来历不太“靠谱”，科学家们把眼光转向了非生物因素——地质勾当孕育发生的甲烷。于各类非生物来历里，最受存眷的是一种叫“蛇纹石化反映”的岩石化学反映。 蛇纹石化反映由橄榄石、辉石等富含铁及镁的硅酸盐矿物介入，这些矿物于火星上尤其常见。当这些矿物及水接触，就会发生一系列繁杂反映，形成蛇纹石，同时开释出氢气。于相宜前提下，开释出来的氢气还有能与火星年夜气里的二氧化碳继承反映，天生甲烷及水。 蛇纹石化反映能孕育发生甲烷，于地球上已经经获得证明。火星也存于蛇纹石化反映的前提。起首，火星外貌存于玄武岩，其次，火星之前有过许多液态水。理论上讲，于火星已往的“潮湿期间”，蛇纹石化反映可能年夜范围发生，孕育发生的甲烷一部门留于地下岩层，一部门进入年夜气中。 但此刻的火星情况，还有能撑持蛇纹石化反映连续产甲烷吗？ 起首，火星外貌没有活跃的火山与热泉勾当。于地球上，蛇纹石化反映要快速举行，常需高温高压情况（如火山热量、海底高压）。但火星火山勾当约30亿年前已经基本住手，外貌也无海洋，仅地下可能存于极少量盐水。这象征着，即便火星地下仍有蛇纹石化反映，速率也会极慢，孕育发生的甲烷也许难以增补年夜气中分化失的量。 其次，蛇纹石化反映虽能注释甲烷的连续存于，却没法申明其浓度的季候性动态变化，难以零丁作为火星甲烷的重要来历。 源自“电化学效应”？ 当生物源与传统地质源均没法注释火星甲烷时，科学家最先摸索更非凡的机制。近期，笔者地点研究团队提出新料想：火星尘暴中的“电化学效应”，或者为甲烷的主要来历。 研究团队持久研究行星年夜气与空间情况，于阐发“火星快车”号、“好奇”号等探测器传回的火星尘暴数据时，发明这一要害联系关系：火星年夜气甲烷浓度峰值，常与尘暴发生的时间、规模重合——火星呈现年夜范围尘暴时，甲烷浓度便升高；尘暴竣事后，浓度又逐渐降落。据此推测，尘暴也许不只是气候征象，还有可能介入甲烷的天生。 要搞大白这个机制，患上先相识火星尘暴的特色。火星年夜气尤其淡薄，且外貌沙尘易形成尘暴。火星尘暴巨细纷歧，小的只笼罩一小块区域；年夜的能囊括整个火星，连续数周甚至数月。尘暴发生时，年夜量沙尘颗粒于年夜气中高速运动，彼此磨擦孕育发生静电。火星沙尘以硅酸盐矿物为主，自己易带电；同时，火星年夜气淡薄，缺少充足气体份子中及电荷，使沙尘颗粒能堆集年夜量静电。当电荷堆集到必然水平，就会激发年夜气放电——近似地球闪电，但范围更小、更频仍，被称为“静电放电”。 经由过程试验室模仿及理论阐发，团队发明火星沙尘颗粒于缺氧、低气压情况下发生静电放电时，会激发一系列电化学反映。这个反映可以将年夜气中的二氧化碳及含水矿物中的水联合于一路形成甲烷。 研究火星年夜气中甲烷的来历，成为火星探测的焦点问题之一。美国国度航空航天局（NASA）把“追踪甲烷源头”列为2030年火YABO鸭脖官网星使命的要害方针；欧洲太空局（ESA）将于2028年发射“罗萨琳德富兰克林”漫游车去探访；2031年，我国“天问三号”也极有可能带回含有甲烷的年夜气样品。 解开仗星年夜气中甲烷的来历之谜，不仅关乎火星几十亿年的演化史，还有可能完全转变人类对于地外生命的认知。火星研究的将来，让人期待！ 《光亮日报》（2025年10月09日 16版）
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