2017年7月28日

尋找其他的海洋世界

作者/陳文屏,中央大學天文所教授。



如果用一個字代表地球,那絕對非「水」莫屬,無論地表、大氣、甚至地下土壤,到處都是水;而水是滋養生命的要素之一,有生命的地方就需水,地球生命誕生於海洋。到底水是什麼東西?對於生活與生命有何影響,太陽系中除了地球,其他天體是否也有水存在,而能讓生命發展呢?
水的重要性
人類生命三要素是陽光、空氣、水。其中陽光是能量來源,在地球上植物行光合作用,吸收光能而產生葡萄糖儲存起來。空氣中的氧氣則將我們吃進的食物「燃燒」,但是如果有替代能源或其他取得能源的方式時,陽光與空氣並非無可取代,海洋深處即使終年不見天日,有些生物能利用海底熱泉取得能量,另有些厭氧生物在有氧的環境下反而無法生存。

只有水才是地球生物的關鍵要素。我們的生命活動仰賴液態化學反應,這比固態反應快,比氣態反應穩定。例如糖融化在水裡,很快變成糖水,但如果在冰窖中把糖和冰塊放在一起,反應則會慢得多;而如果把兩者氣化,則不易受侷限,讓反應進行。生物以細胞膜等方式限制了液體的空間,讓反應順利進行。基於固態或氣態的生命型態並非不可能,例如機器人廣義來說也有生老病死,就是使用電能而以晶片形式互動。但整體而言,液態化學是地球生物的基石,在宇宙其他地方依此方式發展出生命的機率應該也高些。
水擁有很多特殊的性質。一般物質在固體狀態都比較緊密,但是水結成冰以後反而密度變低,而能夠浮在水面。這使得冬天氣溫降到冰點以下,冰膨脹而造成水管破裂,是寒帶區域生活上容易域上的煩惱,但在原始環境中,即使氣溫遠低於冰點,在冰層以下仍可能存在液態水,而維持生命活動。

物質都有液態,只是溫度與氣壓條件不同。生命所需的液態物質不一定非水不可,但是水還有很多特點,成為生命所需的首選。首先水由宇宙中主要元素氫、氧組成,含量豐富而穩定,太空中水分子不虞匱乏。作為溶劑的液體促進傳遞養分、排除廢物的生命活動的功能。對於生命來說,好的溶劑應該具備寬廣的液態溫度範圍,同時有良好調節環境溫度的能力。表一比較水、阿摩尼亞與甲醇(也就是工業酒精)的一些性質。可以看出,在常溫下雖然甲醇具有較大的液態溫度範圍,但是水的熱容量(升高攝氏1度所需要的能量)與汽化熱(轉變成氣態所需的能量)大得多,更能夠緩衝環境溫度的變化,整體而言水具有較優越的性質。
水的其他優點包括其為已知液體中具最強的表面張力,平常看到水滴在桌上形成拱型,酒精就比較不明顯。這個性質使得在細胞出現以前,有機化合物依賴水的表面張力得以聚集、彼此反應,並與其他物質分界。水也是絕佳溶劑,容易攜帶分子,又有良好抗紫外輻射的能力,這都讓水成為生命發展的優勢物質。地球生命最先就是在海洋中形成,也是為什麼在別的天體尋找可能生命的第一步就是找水。對於適合人類太空旅行,地面水不但提供民生所需,水也可以分解出氫與氧,以供燃料與呼吸。

地球的海洋
恆星溫度高,自然沒有液態水,而行星或衛星要有液態水,就不能離恆星太遠(結冰)或太近(蒸發)。地球距離太陽距離恰當,加上有足夠大氣壓,地表因此能維持液態水。

我們對於一望無際的汪洋並不陌生,但對於地球海洋的成因至今仍然未解。地表有71%的面積被海洋覆蓋,而因海水散射陽光,造成從太空觀看地球呈現藍色。地球整體海水的體積約是1.4×1018立方公尺,作為參考一座奧林匹克50公尺長、25公尺寬、2公尺深的標準游泳池的水量約為250萬(2.5×106)公升。海水密度比純水稍微高一點(依鹽度而異,約每立方公尺1030公斤),所以海水的總質量(1.4×1021公斤)占了整個地球總質量(6×1024公斤)約1/4400,這比太陽系任何其他天體都多得多。地球大量的海水從何而來呢?



彗星長年距離太陽遙遠,富含冰體(水冰、阿摩尼亞冰、甲烷冰),因此之前認為地球形成之初,受到大量彗星撞擊,帶來充分的水冰,雖然火星、月球等也同樣遭受撞擊,但因為它們引力太小,又缺乏大氣壓力,這些水冰汽化後很快消散。火星早年曾經有大量流水,但現在表面已經沒有液態水。近年來發現某些軌道位於火星與木星之間的小行星,原以為該是絕對乾燥的小行星,某些居然會噴發出水汽,而地球海水的同位素(重水,具有中子的氘原子核)比例與彗星不相符,反而可能近似於這些小行星。地球的水哪裡來的,目前還是熱門的研究課題,可以確定的是絕大多數來自太空,造就了地球獨一無二、生氣盎然的世界。

太陽系其他的海洋世界
到目前為止,還沒有在其他天體發現類似地球這種水汪汪的世界,不是太熱、太冷,就是沒有足夠大氣維持液態水。金星有厚重的大氣層(地球表面的92倍),主要成分是二氧化碳(97%),水汽含量只有0.002%。由於劇烈的溫室效應,金星地表溫度高達攝氏462度,即使彗星或小行星撞擊帶進了水,也都游離而散失了,表面當然也就不會有海洋存在。

火星有稀薄的大氣(地球表面的0.6%),主要成分也是二氧化碳(96%)。火星可能在40億年前失去了磁場,因此大氣受到太陽風直接影響,每小時損耗400公斤的大氣。有很多證據顯示火星表面早年存在大量流水,然而以目前這樣的氣壓,液態水無法長期在表面存在。據估計跟數十億年前相比,已經減少了87%的水,目前剩下的水冰凍在兩極或是地下,極少量在表面以泥水型態存在。

NASA將發射太空船探索木衛二冰層下海洋。(NASA)
海洋還可能存在巨型行星的衛星、矮行星,甚至於彗星表面。巨型行星擁有眾多衛星具有岩石表面,可以撐托海洋,即使溫度低於冰點,但在覆蓋表面的冰層之下,仍可能有海洋存在。最讓人興奮的應屬木衛二(Europa,歐羅巴),它受到木星強大的潮汐力加熱,據判斷在約20公里的冰層之下可能有龐大的海洋,哈柏太空望遠鏡就曾經觀測到木衛二噴發出水汽。相對於地球直徑約1萬3000公里,木衛二的直徑只有約四分之一(3100公里),但海水總體積甚至可能超過地球海水的2倍。美國航太總署(NASA)原先規劃在2020年代發射輕巧快速的太空船在軌道上繞行研究木衛二,但是國會難得的建議擴大規模,加入登陸的任務,雖然使困難度大增,但一般人免不了開始想像可以鑿破冰層,一探可能迷人的海中世界。人類已經在太陽系走透透,到目前尚未在地球以外見過「風吹草低見牛羊」的光景,要是能「臥冰求鯉」可是大事一件。......【更多內容請閱讀科學月刊第572期】

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