大氣的季節性標示了外行星存有生命

基廷(Charles Keeling)近期在美國夏威夷茂納羅亞火山(Mauna Loa, Hawaii)山頂上對二氧化碳所做的量測發現，這種溫室氣體的濃度自從1950年晚期之後數量上增加了30％，而在變化的趨勢上，他們也記錄到了，隨著北半球的樹木和其他植物從開花、繁茂到落葉、冬眠的過程，顯現出的一個波浪狀的季節變化曲線。如果有一個外行星能夠容身生命，而且如果它的轉軸也是傾斜的，那麼它的大氣組成也應該會隨著季節有所變化。那樣子的變化有可能經由遠距光譜法而被偵測得到？

美國太空總署(NASA)與美國埃姆斯(AMES)國家實驗室/SETI協會/加州理工學院噴射推進器實驗室

為了回答這個問題，美國加州大學河濱分校的歐森(Stephanie Olson)與她的伙伴們首先鑑定了二氧化碳、甲烷、和氧氣，因為一開始他們認為這三種氣體的季節變化可能可以用來作生命存在的指標。 研究者們對於二氧化碳的量測並不樂觀，因為二氧化碳在4.3微米和15微米處的特徵吸收光譜線，很可能在一個外行星年的時間裡都達到飽和而看不出變化。而甲烷做為一個生命指標的適用性也會消失，因為它季節變化的一部份是源於光化學作用，而這一部份不管有無生命出現都會發生。氧氣最後看來成為希望之所寄。如同二氧化碳，氧氣有參與光合作用。然而不像二氧化碳，氧氣並不特別溶於水，這表示即使有海洋出現也不至於會模糊了大氣中氧氣濃度的變化。更有甚者，大氣中臭氧的濃度是由氧氣的濃度決定的，而臭氧在近紫外線頻率的吸收使得它很容易被量測到。

在他們的個案研究中，奧森和她的伙伴們找到了一顆繞著一個類太陽恆星跑的類地球行星。研究團隊針對這一顆公轉週期只能讓簡單生命形式能夠存在的外行星計算了氧氣與臭氧的季節性信號。他們的結論是：季節性的、生物源的臭氧濃度變化的確可以用一個配備有紫外線光譜儀的大光圈太空望遠鏡偵測得到。

本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, November 2017 雜誌內(Physics Today 70, 10, 26 (2017);  https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.3968)；原文作者：Sung Chang。中文譯稿：林中一教授，國立中興大學物理系。


Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Sung Chang, and are published on Physics Today 70, 10, 26 (2017);  https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.3968). The article in Mandarin is translated by Prof. Chung-Yi Lin, working on Department of Physics, National Chung Hsing University.