火星甲烷

火星大氣層中存在甲烷的報導引起了很多地質學家和天體生物學家的關注^[1]，因為甲烷可能表明火星上存在有微生物生命，或地球化學作用，如火山或熱液活動^{[2][3][4][5][6][7]}。

火星上來源不明的甲烷，這裏顯示了在北半球夏季檢測到的甲烷，含量為十億分率體積，紅色代表最高，黑色代表最低。

2004 年以來，各種探測任務和觀察研究都報告了痕量甲烷，範圍從60ppbv到低於檢測限值(< 0.05 ppbv)不等^{[8][9][10][11][12]}。火星上的甲烷來源以及所觀測到甲烷濃度出現巨大差異的原因尚不清楚，目前還處於研究之中^[1][13]。無論何時檢測到甲烷，它都會通過一種高效但未知的過程迅速從大氣中消失^[14]。

探測史

甲烷（CH₄）分子模型

甲烷（CH₄）在當前火星的氧化性大氣層中化學性質並不穩定，由於太陽紫外線輻射及與其他氣體的化學反應，它會很快分解。因此，大氣層中甲烷持續或間歇的出現可能意味着存在持續的補充氣源。

歐空局的火星快車號軌道器使用行星傅里葉光譜儀測得了大氣層中甲烷的首個證據^[15]。2004年3月，火星快車號科學團隊提出大氣層中存在的甲烷濃度約為10ppbv^{[16][17][18][19]}，這一點很快得到三支地基望遠鏡小組的證實，儘管在2003年和2006年的觀測中所測量到的甲烷豐度出現了巨大差異。火星甲烷的這種時空差異表明該氣體集中於局部地區並且有可能是季節性的^[20]，據估計，火星每年產生270噸甲烷^[21][22]。

2011年，美國宇航局科學家報告，利用高緯度地面觀測站（甚大望遠鏡、凱克望遠鏡Ⅱ、美國宇航局紅外望遠鏡）的高解像度紅外光譜望遠鏡對火星上的痕量物質（包括甲烷）進行了全面搜索，得出了甲烷（<7 ppbv）、乙烷（<0.2 ppbv）、甲醇（<19 ppbv）和其他物質（甲醛、乙炔、乙烯、一氧化二氮、氨、氰化氫、氯仿、氯化氫、超氧化氫–所有極限值均為十億分之體積單位水平）的敏感上限^[23]。

好奇號探測車檢測到大氣層中甲烷的周期性季節變化。

2012年8月，好奇號漫遊車登陸火星，它搭載的儀器能夠進行精確的豐度測量，但不能辨別甲烷中的不同同位素，因此無法確定其來源是地質性的還是生物性 ^[24]。但火星微量氣體任務衛星（TGO）可測量這些比率並指出它們的來源^[15]。

2012年，好奇號的可調諧激光光譜儀（TLS）首次測量表明，着陸點地區沒有甲烷，或低於5ppbv單位^[25][26][27]，後來計算出的最低值為0.3至0.7ppbv之間^[28]。2013年，美國宇航局的科學家再次報告說，沒有檢測到超過最低值的甲烷^[29][30][31]。但在2014年，美國宇航局報告說，好奇號探測車在2013年末和2014年初檢測到其周圍大氣層中的甲烷含量增加了10倍（「峰值」）^[10]。在此期間的兩個月內，四次測量獲得的平均值為7.2ppbv，這意味着火星正在從未知來源間歇性地產生或釋放甲烷^[10]。而在此前後，平均讀數約只為該水平的十分之一。

2018年6月7日，美國宇航局宣佈確認大氣層甲烷背景水平存在周期性季節變化^[32][33][10]。在2019年6月底的一次事件中，好奇號探測車原位檢測到的最大甲烷濃度達到21 ppbv^[34][35]。在「好奇號」探測到甲烷前20小時，以及探測後24小時和48小時，「火星快車號」軌道飛行器碰巧在該區域進行了定點跟蹤^[15]，而火星微量氣體任務衛星也差不多同時在更高的緯度進行大氣觀測^[15]。

印度火星軌道探測器於2014年9月24日進入火星軌道，該衛星配備了測量大氣層甲烷的法布里－佩羅干涉儀，但進入火星軌道後，確定它無法探測到甲烷^[36][37]:57。因此，該儀器被改用於測繪反照率地圖^[36][38]。截至2019年4月，火星微量氣體任務衛星顯示火星甲烷濃度低於可檢測水平（<0.05 ppbv）^[12][19]。

「毅力號」火星車（2021年2月着陸）和羅莎琳德·富蘭克林號火星車（定於2023年）都將不配備分析大氣甲烷及其同位素的設備^[39][40]，所以，計劃於21世紀30年代中期進行的火星採樣返回任務似乎是能夠分析樣本以區分地質來源和生物來源的最早任務^[40]。

可能來源

火星上可能的甲烷來源和沉沒。

地質成因

火星甲烷來源的主要候選因素包括非生物作用過程，如水-岩反應、水的輻解和黃鐵礦的形成，所有這些過程都會產生氫氣，然後通過費托合成，與一氧化碳和二氧化碳生成甲烷和其他碳氫化合物^[41]。研究還表明，甲烷可通過與水、二氧化碳和火星上很常見的橄欖石礦物等相關的作用過程產生^[42]，這種反應所需的條件（即高溫和高壓）雖不存在於表面，但可能存在於地殼內^[43][44]。對礦物副產物的蛇紋岩檢測表明，這一過程正在發生。地球上的模擬表明，在火星上，有可能從蛇紋岩中低溫產生和散發出甲烷^[45]。另一種可能的地質來源是偶爾從包裹在籠形水合物中釋放出來的古代甲烷^[46]。在火星早期寒冷環境的假設下，冰雪圈可能將捕獲的甲烷以穩定的包合物形態保存在深處，之後表現為零星的釋放^[47]。

在現代地球上，火山活動是甲烷排放的次要來源^[48]，並通常伴有二氧化硫氣體。然而，對火星大氣層中微量氣體的若干研究並未發現有二氧化硫存在的證據，這使得火星的火山活動不太可能成為甲烷的來源^[49][50]。儘管甲烷的地質來源,，如蛇紋岩化是可能的，但目前火山作用、熱液活動或熱點^[51]的缺乏並不傾向地質成因。

也有人提出，進入火星大氣層的隕石可能會補充甲烷^[52]，但倫敦帝國理工學院的研究人員發現，以這種方式釋放的甲烷量太低，無法維持所測量到的甲烷水平^[53]。有人認為，甲烷是隕石在進入大氣層時，受強烈熱量驅動產生的化學反應所致。雖然2009年12月發表的研究排除了這一可能性^[54]，但2012年發表的研究表明，甲烷可能來源於隕石上的有機化合物，這些化合物通過紫外線輻射可轉化為甲烷^[55]。

實驗室測試表明，當放電與水冰和二氧化碳相互作用時，會產生甲烷爆發^[56][57]。沙塵暴和塵捲風中的帶電塵埃顆粒與永久凍土冰接觸產生的放電，每焦耳應用能量可產生約1.41×1016個甲烷分子^[56]。

目前的光化學模型無法解釋火星甲烷水平明顯快速變化^[58][59]。研究表明，甲烷消失過程長約4個地球年，短則0.6個地球年^[60][61]，這種無法解釋的快速消失率也表明了有一種非常活躍的補充源^[62]。意大利國立天體物理研究所的一組研究人員推測好奇號火星車探測到的甲烷可能是從蓋爾撞擊坑以東約500公里附近的梅杜莎槽溝層區釋放出來的，該地區可能是一處緣於火山成因的斷裂帶 ^[63]。

生物成因

活體微生物，如產甲烷菌，是另一種可能的來源，但沒有證據表明火星上存在這種微生物。在地球海洋中，生物甲烷的產生往往伴隨有乙烷（C
2H
6）的產生，而長期的地面光譜觀測並未在火星大氣層中發現這些有機分子^[23]。鑑於其中一些分子的預期壽命很長，火星上生物有機物的排放似乎極為罕見，或者目前根本不存在^[23]。

通過與氫反應將二氧化碳還原為甲烷，可表示為：

${\displaystyle {\ce {CO2 + 4 H2 -> CH4 + 2 H2O}}}$ (∆G˚' = -134 千焦/摩爾 CH₄)

二氧化碳與氫氣反應生成甲烷，同時在細胞膜上形成電化學梯度，用於通過化學滲透生成三磷酸腺苷。相比之下，植物和藻類可從光合作用或氧氣中直接獲取能量。

測量火星上氫和甲烷含量的比率可有助於確定火星生命存在的可能性^[64][65][66]。大氣層中氫/甲烷比率較低（約小於40）可能表明大氣中的甲烷大部分可歸因於生物活動^[64]，但在火星低層大氣層中觀測到的比率高出「大約10倍」，這「表明生物過程可能不是觀測到的甲烷成因」^[64]。

自2003年在大氣層中發現甲烷以來，一些科學家一直在設計模型和進行試管實驗，以測試產甲烷細菌在模擬火星土壤中的生長情況。在模擬土壤中，即便存在1wt%（重量百分比）的高氯酸鹽^[67]，所有測試的四種產甲烷菌株全都產生了大量甲烷。產甲烷菌不需要氧氣或有機營養物，不進行光合作用，使用氫氣作為能源，二氧化碳（CO2）作為碳源，因此它們可以存在於火星的地下環境中^[68]。如果火星上的微生物正在產生甲烷，那麼甲烷可能就存在於地表以下很深的地方，那裏的溫度仍足以讓液態水保持存在^[69]。

2015年阿肯色大學發表的研究表明，一些甲烷菌可在類似地下液體含水層的火星低壓環境中生存，測試的四種細菌分別為：

• 沃氏甲烷嗜熱桿菌(Methanothermobacter wolfeii)；
• 巴氏甲烷八疊球(Methanosarcina barkeri)；
• 甲酸甲烷桿菌(Methanobacterium formicicum)；
• 海沼甲烷球菌(Methanococcus maripaludis)^[68]。

吉爾伯特·萊文領導的研究小組認為，甲烷的產生和降解現象都可用產生和消耗甲烷的微生物生態學來解釋^[4][70]。

即使火星車任務探明火星微生物生命是甲烷的季節性來源，這些生命形式也可能居住在火星車無法觸及到的地表之下^[71]。

可能的沉沒

最初認為甲烷在紫外線輻射的氧化性大氣層中化學性質不穩定，因此，它在火星大氣中的壽命應為400年左右^[13]，但2014年得出結論，強烈的甲烷沉降並不受大氣氧化的影響，表明地表存在一種有效的物理化學過程，會「消耗」甲烷，通常稱之為「沉沒」^[72][73]。

一種假說推測甲烷根本不會被消耗，而是從籠形複合物中季節性地冷凝和蒸發^[74]；另一種假設則是甲烷與地表上翻滾的石英砂（二氧化矽）和橄欖石反應，形成共價矽–甲基鍵^[75]。研究表明，在侵蝕過程中，這些固體會被氧化，氣體會被電離。因此，電離甲烷與礦物表面發生反應並與之結合^[76][77]。

圖集

• 
  火星上的揮發性氣體。
• 
  「好奇號」漫遊車測得的火星大氣中甲烷。

另請查看

• 火星大氣層
• 火星氣候
• 火星生命

參考文獻

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