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公众对火星探索热情高涨。新华社发
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光明图片/视觉中国
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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，太阳系八大行星中，火星是人类最想探索的“红色邻居”，在其稀薄大气中藏着让科学家困惑的谜题——少量却持续存在的甲烷。这种由1个碳原子与4个氢原子构成的简单分子（CH4），在地球大气中的浓度约为1.9ppm（即百万分之一），在火星大气中的浓度极低，仅十亿分之几（ppbv级）。地球上甲烷的存在，与生命息息相关。那么，火星的甲烷源于什么？真的有“火星人”吗？
甲烷是“可能存在生命的标志”
对于人类而言，甲烷是一种极为常见的物质。由于其早已深度融入人类日常生活，通常难以引起人们的特别关注。要弄清科学家为何执着于火星甲烷，需首先明确关键问题：甲烷为何会被视作“可能存在生命的标志”？
在地球上，甲烷与生命几乎是“绑定存在”的。如今地球大气中，约60%的甲烷来自生物活动，这类甲烷被称为“生物源甲烷”。湿地里的产甲烷古菌，能在无氧环境下将植物残体、腐烂有机物中的碳和氢合成甲烷并释放到大气；牛、羊等动物胃内微生物分解纤维素时发酵产甲烷，随呼吸或排气排出；煤矿与天然气田的甲烷，则由数千万至数亿年前动植物遗骸经掩埋和长期地质演变形成。
正因为甲烷与生命关联密切，科学家形成共识：若某行星大气存在稳定甲烷释放，且能排除非生物来源，便有理由推测该星球可能存在生命活动——无论是现存生命，还是过往生命的痕迹。
火星不仅确有甲烷，还存在特殊现象：浓度随季节变化。2004年，欧洲航天局“火星快车”号首次探测到火星甲烷，浓度约10至50ppbv。消息引发科学界轰动，但也有人质疑：是探测器故障，还是地球大气甲烷干扰了数据？为验证这一发现，后续各国火星探测任务纷纷加入观测。2012年，美国“好奇”号火星车在火星盖尔陨石坑着陆，其搭载的“火星样本分析设备”（SAM）可直接采集火星大气样本，通过可调谐激光光谱仪精准测量到了甲烷成分。经过数年观测，“好奇”号不仅证实火星有甲烷，还发现了关键规律：火星大气甲烷浓度呈季节性波动，北半球夏季浓度最高（有时超40ppbv），冬季则下降至接近仪器检测极限。
更关键的是，甲烷是有“寿命”的。地球大气中，甲烷平均能存在9至12年；火星大气中甲烷被太阳紫外线分解，能存在约320年。这意味着，若火星没有持续产生甲烷的“来源”，大气中的甲烷早该分解殆尽，不可能留存至今。
甲烷的“寿命”与浓度变化的规律性，指向一个结论：火星上必然存在持续产甲烷的源头，且其“产量”会随季节变化。这让火星甲烷之谜更具吸引力——在环境恶劣的火星上，究竟是什么能“季节性产甲烷”？
源自微生物的“呼吸”？
既然地球上大部分甲烷源自生命活动，科学家推测：火星上是否也存在能产甲烷的微生物？
在地球极端环境中，确实有产甲烷古菌，其最突出的能力，是可以在完全无氧的环境中生存，还能用简单物质合成甲烷。从理论上看，火星地下或许存在类似微生物。火星表面环境恶劣，白天最高温约20℃，夜间可降至-80℃以下；大气稀薄，无法抵御太阳紫外线和宇宙射线破坏生物DNA；行星表面干燥、缺乏液态水，不适宜生命存活。但微生物若藏身地下则不同——地下200米以下能隔绝辐射、维持稳定温度，加之火星极地冰盖与地下可能存在的盐水层可提供液态水，这些都为微生物生存创造了条件。不过，这一猜想还面临两个现实难题。
第一个难题是“食物”匮乏。产甲烷古菌生成甲烷需充足“原料”，若火星地下真有这类古菌，要维持火星大气现有甲烷浓度，每年需消耗约260吨有机物，或等量的氢气与二氧化碳。但目前人类在火星上，尚未发现如此规模的有机物。
另一个难题是“生存与运输”的矛盾。即便火星地下200米处确实存在产甲烷古菌，其产生的甲烷要抵达大气，也需耗费漫长时间。据估算，从地下200米扩散到火星表面，可能需要几千年甚至上万年。但“好奇”号观测到的甲烷浓度呈季节性波动——夏季升高、冬季降低，周期约为2个地球年。若甲烷需几千年才能到达地表，地表观测到的浓度理应保持稳定，绝不可能出现如此显著的季节变化。因此，要证实这一猜想，还需更多探测数据支撑。
源自地质活动？
既然生物来源不太“靠谱”，科学家们把目光转向了非生物因素——地质活动产生的甲烷。在各种非生物来源里，最受关注的是一种叫“蛇纹石化反应”的岩石化学反应。
蛇纹石化反应由橄榄石、辉石等富含铁和镁的硅酸盐矿物参与，这些矿物在火星上特别常见。当这些矿物和水接触，就会发生一系列复杂反应，形成蛇纹石，同时释放出氢气。在适宜条件下，释放出来的氢气还能与火星大气里的二氧化碳继续反应，生成甲烷和水。
蛇纹石化反应能产生甲烷，在地球上已经得到证实。火星也存在蛇纹石化反应的条件。首先，火星表面存在玄武岩，其次，火星以前有过很多液态水。理论上讲，在火星过去的“湿润时期”，蛇纹石化反应可能大规模发生，产生的甲烷一部分留在地下岩层，一部分进入大气中。
但现在的火星环境，还能支持蛇纹石化反应持续产甲烷吗？
首先，火星表面没有活跃的火山与热泉活动。在地球上，蛇纹石化反应要快速进行，常需高温高压环境（如火山热量、海底高压）。但火星火山活动约30亿年前已基本停止，表面也无海洋，仅地下可能存在少量盐水。这意味着，即便火星地下仍有蛇纹石化反应，速度也会极慢，产生的甲烷或许难以补充大气中分解掉的量。
其次，蛇纹石化反应虽能解释甲烷的持续存在，却无法说明其浓度的季节性动态变化，难以单独作为火星甲烷的主要来源。
源自“电化学效应”？
当生物源与传统地质源均无法解释火星甲烷时，科学家开始探索更特殊的机制。近期，笔者所在研究团队提出新猜想：火星尘暴中的“电化学效应”，或为甲烷的重要来源。
研究团队长期研究行星大气与空间环境，在分析“火星快车”号、“好奇”号等探测器传回的火星尘暴数据时，发现这一关键关联：火星大气甲烷浓度峰值，常与尘暴发生的时间、范围重合——火星出现大规模尘暴时，甲烷浓度便升高；尘暴结束后，浓度又逐渐下降。据此推测，尘暴或许不只是天气现象，还可能参与甲烷的生成。
要弄明白这个机制，得先了解火星尘暴的特点。火星大气特别稀薄，且表面沙尘易形成尘暴。火星尘暴大小不一，小的只覆盖一小块区域；大的能席卷整个火星，持续数周甚至数月。尘暴发生时，大量沙尘颗粒在大气中高速运动，相互摩擦产生静电。火星沙尘以硅酸盐矿物为主，本身易带电；同时，火星大气稀薄，缺乏足够气体分子中和电荷，使沙尘颗粒能积累大量静电。当电荷积累到一定程度，就会引发大气放电——类似地球闪电，但规模更小、更频繁，被称为“静电放电”。
通过实验室模拟和理论分析，团队发现火星沙尘颗粒在缺氧、低气压环境下发生静电放电时，会引发一系列电化学反应。这个反应可以将大气中的二氧化碳和含水矿物中的水结合在一起形成甲烷。
研究火星大气中甲烷的来源，成为火星探测的核心问题之一。美国国家航空航天局（NASA）把“追踪甲烷源头”列为2030年火星任务的关键目标；欧洲太空局（ESA）将在2028年发射“罗萨琳德・富兰克林”漫游车去探寻；2031年，我国“天问三号”也极有可能带回含有甲烷的大气样品。
解开火星大气中甲烷的来源之谜，不仅关乎火星几十亿年的演化史，还可能彻底改变人类对地外生命的认知。火星研究的未来，让人期待！
（作者：武中臣按月配资平台，系山东大学空间科学与技术学院教授、博士生导师）
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