肖龍

進(jìn)入現(xiàn)代社會后，天然氣已經(jīng)成為千家萬戶不可或缺的燃料，同時也是天然氣汽車的燃料，可見天然氣已經(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采完，以后怎么辦？

我們先來了解一下天然氣的成分和來源。天然氣的主要成分是甲烷（CH4），一種有一個碳原子和四個氫原子結(jié)合在一起的烷烴化合物。從地下直接開采出來的天然氣中還有少量乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、氮氣和二氧化碳等。而我們家用的天然氣，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，我們在開采石油時，也經(jīng)常會有天然氣跟著冒出來。另外一種就是沼氣，也是微生物分解形成的，并且可以通過人工干預(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”，儲量也很大，是一種有待勘查和開發(fā)的能源。

總的來說，除通過現(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？

我們首先來看火星?；鹦巧奶剿魇侨澜珀P(guān)注度最高的，因為火星與地球高度相似，曾經(jīng)有過溫暖潮濕的環(huán)境，適宜生命的形成和繁衍。但是，科學(xué)家一直沒有找到任何火星生命的直接證據(jù)。而奇妙的是，火星探測器已經(jīng)在火星的高層大氣和火星表面大氣中，都探測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？有一種觀點就認(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。那么，這些微生物在哪里？為什么一直沒有探測到呢？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。具體來說，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，后來被我們的科學(xué)儀器探測到。

相比火星，土星的一個衛(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。其儲量甚至達(dá)到地球甲烷儲量的數(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，土衛(wèi)六上的甲烷既不是生命活動的產(chǎn)物，也不是地質(zhì)活動形成的，而是從其一開始誕生就存在的。

這說明太陽系的天體一開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，形成最簡單的碳?xì)浠衔锛淄椤?/p>

甲烷在宇宙中是一種相當(dāng)常見的物質(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)的密度其實是非常低的，比人類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有太多的機(jī)會遇到另一個原子從而形成分子，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，所以總會有一些原子找到了“另一半”，結(jié)合成分子。

當(dāng)恒星點燃后，星際氣體、塵埃等被吹到一定距離外，開始形成行星。甲烷作為吸積盤中重要的物質(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，所以在靠近太陽且磁場較弱的行星，以及沒有大氣層的衛(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。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)祟惱脝幔?/p>

就現(xiàn)在的技術(shù)來講，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)一個天然氣管道把那里的甲烷運輸?shù)降厍蛏蟻?。這技術(shù)上難以實現(xiàn)，成本也太高。但是，對于未來人類的深空探測也許可以發(fā)揮作用。一是，可以把土衛(wèi)六建成一個“加氣站”，例如我們的探測器可以在駛向更遙遠(yuǎn)太空時，在途徑土衛(wèi)六時進(jìn)行加氣。但問題是，甲烷的燃燒還需要氧氣，而土衛(wèi)六上沒有氧氣，如果要利用那里的甲烷，就要多準(zhǔn)備氧氣，而這一點恐怕也是很難做到的。二是科學(xué)方面的價值，盡管甲烷本身是最簡單的碳?xì)浠衔?，但是那里有可能有大量更為?fù)雜的碳?xì)浠衔铮行π纬纱蠓肿佑袡C(jī)物，甚至生命非常有利，因此是開展地外生命探索的重要對象之一。

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

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者：肖龍 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）教授

出品：中國科協(xié)科普部

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