书城童书你不了解的太阳系之谜
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第20章 土星篇(2)

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表示体积比率为十亿分之一),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。其他重要的来源,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放出甲烷。

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,一旦在其他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。就在2003年与2004年,有3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(MichaelMumma)带领研究团队,利用位于夏威夷的红外线望远镜与位于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(VittorioFormisano)与同事分析了数千个搜集自火星快递轨道卫星的红外线光谱,发现的甲烷含量低得多,0~3.5ppbv。一般行星的平均值接近10ppbv。后来,美国天主教大学的斯若波斯基(VladimirKrasnopolsky)和同事利用加法夏望远镜(CFHT)测量到的行星平均值约为10ppbv,不过因为信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,人们会把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年就已经侦测到土卫六上的甲烷,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。氮是氨基酸与核酸等生物分子的关键成分,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。

要维持土卫六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益,在对流层内,则是氢分子的碰撞使对流层升温20益。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,土卫六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,土卫六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,土卫六将不再具有神秘感,并且成为有着薄薄大气的一颗普通卫星。

火星和土卫六上的甲烷,是像地球一样来自生命?抑或是有其他的解释,例如火山、彗星与陨石的撞击?若把地球物理、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土卫六上也相当吻合。

要回答这样的问题,第一个步骤必须要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60千米以上,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,甲烷会逐渐从大气中消失。

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。在土卫六上,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1000万至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,就更别说要解释土卫六上那么大量的甲烷了。以生命期600年的情形来说,要使全火星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吨,这大约是地球上甲烷产生率的二十五万分之一。

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吨的微流星体尘埃来到火星表面,其中碳的质量不到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,甲烷约占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1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米的彗星撞击,或是2000年前一颗直径500米的彗星,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,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。

披着美丽外衣的行星——土星

土星是太阳系八大行星之一,按离太阳由近及远的次序是第6颗;按体积和质量都排在第二位,仅次于木星。它和木星在很多方面都很相似,也是一颗“巨行星”。从望远镜里看去,土星好像是一顶漂亮的遮阳帽飘行在茫茫宇宙中。它那淡黄色的、橘子形状的星体四周飘浮着绚烂多姿的彩云,腰部缠绕着光彩夺目的光环,可算是太阳系中最美丽的行星了。

古时候,我们称土星为“镇星”或“填星”,而西方则称之为克洛诺斯。

无论是东方还是西方,都把这颗星与人类密切相关的农业联系在一起。

土星是扁球形的,它的赤道直径有12万千米,是地球的9.5倍,两极半径与赤道半径之比为0.912,赤道半径与两极半径相差的部分几乎等于地球半径。

土星质量是地球的95.18倍,体积是地球的730倍。虽然体积庞大,但密度却很小,每立方厘米只有0.7克。

土星内部也与木星相似,有一个岩石构成的核心。核的外面是5000千米厚的冰层和8000千米的金属氢组成的壳层,最外面被色彩斑斓的云带包围着。土星的大气运动比较平静,表面温度很低,约为-140益。

土星以平均每秒9.64千米的速度斜着身子绕太阳公转,其轨道半径约为14亿千米,公转速度较慢,绕太阳一周需29.5年,可是它的自转很快,赤道上的自转周期是10小时14分钟。

土星的美丽光环是由无数个小块物体组成的,它们在土星赤道面上绕土星旋转。土星还是太阳系中卫星数目最多的一颗行星,周围有许多大大小小的卫星紧紧围绕着它旋转,就像一个小家族。到目前为止,总共发现了62颗。土星卫星的形态各种各样,五花八门,使天文学家们对它们产生了极大的兴趣。最着名的“土卫六”上有大气,是目前发现的太阳系卫星中,唯一有大气存在的天体。

美国国立光学天文台的科学家们在研究“旅行者2号”

发回的土星照片时,发现了一个奇怪的现象:在土星的北极上空有个六角形的云团。这个云团以北极点为中心,并按照土星自转的速度旋转。土星北极的六角形云团并不是“旅行者2号”直接拍到,因为“旅行者2号”并没有直接飞越土星北极上空。但它在土星周围绕行时,从各个角度拍下了土星照片。天文学家们把那些照片合成以后,才看清了土星北极上空的全貌,也才发现了那个六角形云团。土星北极上空六角形云团的出现,促使科学家们不得不重新认识土星。

卫星数目最多

在茫茫夜空中,土星很容易被眼睛看到。虽然不像木星那么明亮,但因为它不会像恒星那样“闪烁”很容易被认出是颗行星。土星还是太阳系中卫星数目最多的一颗行星,有许多大大小小的卫星紧紧围绕着它旋转,如同一个家族。到目前为止,已发现了超过60颗土星卫星。土星卫星的形态各异,五花八门,这让天文学家们对它们产生了很大的兴趣。其中以1655年由荷兰天文学家惠更斯发现的“土卫六”最为着名,“土卫六”上有大气,是目前发现的太阳系卫星中唯一有大气存在的天体。