肖龍

進(jìn)入現(xiàn)代社會(huì)后，天然氣已經(jīng)成為千家萬(wàn)戶不可或缺的燃料，同時(shí)也是天然氣汽車(chē)的燃料，可見(jiàn)天然氣已經(jīng)與我們的生活密不可分。

(資料圖片)

我們知道，天然氣是自然形成的不可再生能源，總有用完的一天。那么天然氣是如何產(chǎn)生的？一旦地球上的天然氣被開(kāi)采完，以后怎么辦？

我們先來(lái)了解一下天然氣的成分和來(lái)源。天然氣的主要成分是甲烷（CH4），一種有一個(gè)碳原子和四個(gè)氫原子結(jié)合在一起的烷烴化合物。從地下直接開(kāi)采出來(lái)的天然氣中還有少量乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、氮?dú)夂投趸嫉取６覀兗矣玫奶烊粴?，是純度更高的甲烷氣體。

那么地球上的以甲烷為主的天然氣是如何形成的呢？現(xiàn)代科學(xué)研究已經(jīng)證明，地球上絕大部分的天然氣都是微生物在厭氧環(huán)境，和在一定的溫度、壓強(qiáng)下，由復(fù)雜的有機(jī)物分解生成。在地下深處，天然氣經(jīng)常與石油伴生，我們?cè)陂_(kāi)采石油時(shí)，也經(jīng)常會(huì)有天然氣跟著冒出來(lái)。另外一種就是沼氣，也是微生物分解形成的，并且可以通過(guò)人工干預(yù)加速這種轉(zhuǎn)化。還有一種是在凍土和海底保存的天然氣水合物，也就是由甲烷和水結(jié)合在一起的物質(zhì)，也稱為“可燃冰”，儲(chǔ)量也很大，是一種有待勘查和開(kāi)發(fā)的能源。

總的來(lái)說(shuō)，除通過(guò)現(xiàn)代工業(yè)方法生產(chǎn)的甲烷外，地球上的絕大部分甲烷，都是來(lái)自微生物的分解。

有趣的是，科學(xué)家還在其他天體上發(fā)現(xiàn)了甲烷，有的儲(chǔ)量還很大。難到那里也有微生物，真的存在地外生命嗎？

我們首先來(lái)看火星?；鹦巧奶剿魇侨澜珀P(guān)注度最高的，因?yàn)榛鹦桥c地球高度相似，曾經(jīng)有過(guò)溫暖潮濕的環(huán)境，適宜生命的形成和繁衍。但是，科學(xué)家一直沒(méi)有找到任何火星生命的直接證據(jù)。而奇妙的是，火星探測(cè)器已經(jīng)在火星的高層大氣和火星表面大氣中，都探測(cè)了濃度不等的甲烷氣體成分。而且，甲烷的濃度還在變化之中。

火星大氣中的這些甲烷從何而來(lái)？有一種觀點(diǎn)就認(rèn)為和地球上一樣，是深埋在火星地下的微生物轉(zhuǎn)化而來(lái)。那么，這些微生物在哪里？為什么一直沒(méi)有探測(cè)到呢？而更多的科學(xué)家認(rèn)為，這些甲烷不需要微生物的參與，而是由有地下深處的巖石和水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的。具體來(lái)說(shuō)，是由一種叫橄欖石的礦物與水和二氧化碳反應(yīng)，形成了甲烷氣體和其他礦物。其中的甲烷被釋放到大氣中，后來(lái)被我們的科學(xué)儀器探測(cè)到。

相比火星，土星的一個(gè)衛(wèi)星--土衛(wèi)六泰坦上有大量的甲烷，它有比地球還要濃密的大氣層，成分都是甲烷，而且表面含有大量的甲烷湖泊，甚至可能存在甲烷海洋。其儲(chǔ)量甚至達(dá)到地球甲烷儲(chǔ)量的數(shù)百倍。如此巨量的甲烷又是如何形成的呢？

目前普遍的看法是土衛(wèi)六（泰坦）上的甲烷來(lái)源比較特殊，可能與地球和火星上甲烷的形成方式都不同，也就是說(shuō)，土衛(wèi)六上的甲烷既不是生命活動(dòng)的產(chǎn)物，也不是地質(zhì)活動(dòng)形成的，而是從其一開(kāi)始誕生就存在的。

這說(shuō)明太陽(yáng)系的天體一開(kāi)始就有大量的烷烴物質(zhì)?？茖W(xué)家認(rèn)為，在原始星云中含有的大量氫和氦，碳元素很容易與活躍的氫元素結(jié)合，形成最簡(jiǎn)單的碳?xì)浠衔锛淄椤?/p>

甲烷在宇宙中是一種相當(dāng)常見(jiàn)的物質(zhì)，在那些最終可能形成恒星及其行星、衛(wèi)星系統(tǒng)的星云中是普遍存在的。在星云中，物質(zhì)的密度其實(shí)是非常低的，比人類(lèi)在地球上制造的真空密度還要低，因此這些元素的原子并沒(méi)有太多的機(jī)會(huì)遇到另一個(gè)原子從而形成分子，多數(shù)都是以單原子存在。而在一些附近存在強(qiáng)烈輻射源的星云中，元素甚至以電離的核與自由的電子的形態(tài)存在。盡管密度如此之低，但由于數(shù)量極其巨大，所以總會(huì)有一些原子找到了“另一半”，結(jié)合成分子。

當(dāng)恒星點(diǎn)燃后，星際氣體、塵埃等被吹到一定距離外，開(kāi)始形成行星。甲烷作為吸積盤(pán)中重要的物質(zhì)，在各大行星上應(yīng)該都有存在，那么為什么泰坦上豐富到形成海洋的地步呢？甲烷在星際氣體以及行星形成后形成的氣體中，屬于較輕氣體，所以在靠近太陽(yáng)且磁場(chǎng)較弱的行星，以及沒(méi)有大氣層的衛(wèi)星上很容易被剝離，跑到外部空間，進(jìn)入到外太陽(yáng)系。那里溫度很低，甲烷可以以液態(tài)的形式被穩(wěn)定的保存下來(lái)。這就是土衛(wèi)六上甲烷形成的原因。

那么土衛(wèi)六上如此多的甲烷天然氣，能夠被我們?nèi)祟?lèi)利用嗎？

就現(xiàn)在的技術(shù)來(lái)講，要利用土衛(wèi)六上的甲烷難度還是很大的。我們不可能架設(shè)一個(gè)天然氣管道把那里的甲烷運(yùn)輸?shù)降厍蛏蟻?lái)。這技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)，成本也太高。但是，對(duì)于未來(lái)人類(lèi)的深空探測(cè)也許可以發(fā)揮作用。一是，可以把土衛(wèi)六建成一個(gè)“加氣站”，例如我們的探測(cè)器可以在駛向更遙遠(yuǎn)太空時(shí)，在途徑土衛(wèi)六時(shí)進(jìn)行加氣。但問(wèn)題是，甲烷的燃燒還需要氧氣，而土衛(wèi)六上沒(méi)有氧氣，如果要利用那里的甲烷，就要多準(zhǔn)備氧氣，而這一點(diǎn)恐怕也是很難做到的。二是科學(xué)方面的價(jià)值，盡管甲烷本身是最簡(jiǎn)單的碳?xì)浠衔铮悄抢镉锌赡苡写罅扛鼮閺?fù)雜的碳?xì)浠衔?，有些?duì)形成大分子有機(jī)物，甚至生命非常有利，因此是開(kāi)展地外生命探索的重要對(duì)象之一。

總的來(lái)說(shuō)，甲烷或者天然氣在太陽(yáng)系內(nèi)很多天體上都有，它們的形成方式也各有不同。對(duì)于像土衛(wèi)六這樣的外太空的天然氣資源，目前還沒(méi)有辦法去利用。

本文為科普中國(guó)·星空計(jì)劃扶持作品

作者：肖龍 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）教授

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

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