甲烷是怎么形成的？

甲烷是怎么形成的？太阳系里的所有行星，除了地球之外， 火星可说是公认最有孕育生命潜力的了，可能现在有生命存在，也可能是曾经有生命。火星有许多与地球相似的特性，例如：形成过程、早期气候史、有水储存，以及火山和其它地质活动等，这些可能正是微生物所需要的。

而另一个经常被列入讨论，认为可能有外星生物存在的，则是土星的最大卫星--泰坦(Titan，或称“土卫六”)。刚生成的泰坦，曾经有利于生命前驱分子形成的环境，有些科学家相信泰坦上曾经有生命，甚至可能现在就正有生命存在着。

使这些可能性更引人关注的是，天文学家研究这两个天体时，都侦测到一种经常伴随生命出现、与生命息息相关的气体--甲烷。火星上的甲烷量虽不多，但很显著；而泰坦则几乎为甲烷所覆盖。

甲烷来自生物的可能性，不亚于来自地质活动的可能性，就算在泰坦上不是，至少在火星上是如此。这两种可能性以不同的方式解释甲烷的出现，而且都相当合理，这显示我们在宇宙中或许没有那么孤单，不然就是在火星与泰坦的地底下，都有大量的液态水，并且伴随着出乎意料的地球化学活动。如果能够了解这些天体上甲烷的来源与命运，将可以得到至关重要的线索，使我们得以更了解太阳系内甚至太阳系外那些类似地球的天体，包含其形塑过程、演化和生命存在的可能性。

在木星、土星、天王星与海王星这些巨行星上，甲烷的含量很高，这是原始太阳星云经化学作用后的产物。不过在地球的大气中，甲烷却属于特殊气体，含量只有1750ppbv(1ppbv表示体积比率为10亿分之一)，其中有90～95%是来自生物。草食性的有蹄动物如牛、羊和牦牛等，排出的甲烷占全球甲烷年排放量的1/5；这些气体是来自它们肠子里细菌作用后的新陈代谢产物。其它重要的来源，包含了白蚁、稻田、沼泽以及天然气(天然气也是古代生命所形成)，还有赤道雨林植物也会释出甲烷(请参见2007年3月号〈植物、甲烷与全球暖化〉)。

在地球上，火山作用所产生的甲烷占总量不到0.2%，而且经由火山作用所排出的，甚至可能是古代有机体所产生的甲烷。相较之下，来自非生命作用的甲烷，例如工业过程所产生的，就不是那么重要了。因此，一旦在其它类似地球的天体上侦测到甲烷，自然也就提高了该天体有生命存在的可能性。

大气层中的角色

就在2003与2004年，有三个独立的研究团队宣布在火星大气中发现甲烷。美国航天总署(NASA)哥达德太空飞行中心的孟玛(Michael Mumma)带领研究团队，利用位在夏威夷的红外线望远镜与位在智利的双子星天文台南座望远镜，以高分辨率光谱仪侦测到火星上甲烷的浓度超过250ppbv，浓度随着地点而不同，可能也会随着时间而变。

任职于罗马物理与行星际科学研究所的佛米沙诺(Vittorio Formisano)与同事(包含我)分析了数千个搜集自火星快递轨道卫星的红外线光谱，我们发现的甲烷含量低得多，约0～35ppbv。一般行星的平均值约接近10ppbv。后来，美国天主教大学的斯若波斯基(Vladimir Krasnopolsky)和同事利用加法夏望远镜(CFHT)测量到的行星平均值约为10ppbv，不过因为讯号与空间解析力不够，他们无法测量到在行星上的变化情形。

孟玛的研究团队正在重新分析他们的资料，想找出为什么数值会有这么大的差距。以目前来说，我会把10ppbv的值当做是最有可能的，这样的甲烷浓度(单位体积的分子数)相当于地球大气中甲烷浓度的十万分之四。不过，即使是这么低的含量，也仍需要解释。

虽然天文学家早在1944年就已经侦测到泰坦上的甲烷，不过这只是当时发现氮的附加发现，过了36年，氮的发现广泛引起各界对这个寒冷且遥远卫星的兴趣。氮是胺基酸与核酸等生物分子的关键成份，所以大气中含有氮和甲烷，加上地面气压是地球大气压力的1.5倍，可能正提供了生命前驱分子所需的要素，有些人推测，这里甚至可能有生命形成。

要维持泰坦厚重且充满氮的大气，甲烷扮演着具控制性的中心角色。甲烷是碳氢化合物霾的来源，它吸收了太阳的红外线辐射，并且使平流层增温将近100℃，在对流层内，则是氢分子的碰撞使对流层升温20℃。如果甲烷用尽，温度会下降，氮气就会凝结形成液态的雨，大气也因而瓦解，泰坦的特性将会永久改变，它的烟雾和云会消散。看似一直在雕刻着地表的甲烷雨会停止，湖泊、水坑与河流将会干涸。而且，因为掀去了覆盖的面纱，泰坦荒凉的地表将得以赤裸裸地呈现，在地球上可以用望远镜直接看清楚，那么，泰坦将不再具有神秘感，并且成为有着薄薄大气的一颗普通卫星。

火星和泰坦上的甲烷，是像地球一样来自生命？抑或是有其它的解释，例如火山、彗星与陨石的撞击？我们把地球物理、化学与生物作用的相关知识应用在火星上，有助于缩小可能的来源范围，而许多相同的论点应用在泰坦上也相当吻合。

阳光下的甲烷

要回答这样的问题，第一个步骤必须得知甲烷产生或由某处逸出的速率，那么，得先反过来测量大气中甲烷减少的速率。在火星地表海拔60公里以上，太阳的紫外线辐射会分解甲烷分子，在较低层的大气，则是水分子会因紫外线光子的照射而分解，形成氧原子和羟基(OH)，而使甲烷氧化。在没有补充的情况之下，甲烷会逐渐由大气中消失。

甲烷生命期的定义为，在原有的大气中，甲烷浓度因凝结而降为原本的1/e倍(e为数学常数，约2.7182818284)或约1/3倍时所花费的时间，在火星上是300～600年。甲烷生命期会依水气含量(随季节改变)、太阳辐射强度(随着火星公转而周期性变化)而有所不同。在地球上，相似过程所造成的甲烷生命期约为10年。在泰坦上，太阳的紫外线辐射弱得多，而且含氧分子的数量也稀少许多，因此甲烷生命期可以长达1000万~1亿年(在地质时间尺度来讲仍然算短)。

在火星上，甲烷的生命期够长，风和扩散作用应该有充裕的时间可以使甲烷与大气均匀混合才对，这么一来，甲烷浓度随着地点而改变的这个观测结果，就很令人不解了。这表示甲烷气体可能是来自某些局部地区，或是在某些地区会因土壤吸收而减少。容易和甲烷发生化学反应的土壤，可能就是储存甲烷的地方，它们使甲烷的量加速减少。如果真有这样额外的储存机制在运作，那么这就是让甲烷量得以维持在观测值的一个重要来源。

下一个步骤是要考虑形成甲烷的可能情形。先研究火星是个不错的开始，因为这颗红色行星上的甲烷含量很低，如果一个机制连这么少的含量都无法解释，就更别说要解释泰坦上那么大量的甲烷了。以生命期600年的情形来说，要使全球平均甲烷浓度维持在10ppbv的定值，每年所产生的甲烷必须略多于100公吨，这大约是地球上甲烷产生率的25万分之一。

和地球上相同的是，火山可能不是最重要的因素。火星上的火山已经沉寂了数亿年，而且，如果火山爆发喷发出甲烷，应该同时也会喷发出极大量的二氧化硫，但是火星的大气中却缺乏含硫化合物。外层空间来的贡献看来也相当微小，根据估计，每年约有2000公吨的微流星体尘埃来到火星表面，其中碳的质量占不到1%，即使这些物质大多被氧化，也只会是甲烷不太重要的来源。彗星的整体质量中，甲烷占约1%，但是平均每6000万年彗星才撞击火星一次，因此，每年彗星所递送的甲烷量大约一吨，不到所需的1%。

那么，会不会是最近有颗彗星撞上了火星？它带来大量的甲烷，经过一段时间后，在大气中的含量降低到了目前的数值。100年前一颗直径200公尺的彗星撞击，或是2000年前一颗直径500公尺的彗星，都可以提供足够的甲烷，以符合现在观测到的平均含量10ppbv。但是此想法也遭遇问题：火星上甲烷的分布不是均匀的。要使甲烷在各方向都均匀分布，大约只需几个月。因此，从彗星撞击而来的甲烷最终应该会均匀分布，这和观测结果相矛盾。