一拍個不見陽光的流浪星球

在座各位地球人肯定對「水」一點不陌生。不論是液態水還是固態冰，在生活中都隨處可見。但如果你以為我們已經完全了解水和冰的構成與變化，那你可就錯了，因為它可是超乎想像的複雜。

冰也會七十二變？常見的物質竟然有這麼多型態！

學校裡教過的三相圖將水區分成固、液、氣三種相（Phase）。不過除了這種簡單的分類，固態的冰在不同的壓力與溫度條件下其實還有許多不同面貌。

一般條件下，自然結凍的水只會呈現六角結晶或立方結晶，兩種晶體結構合稱為「冰一」（Ice I）。你可能有些好奇：既然有一，那或許會有二（咦）

沒錯！目前已知的冰共有二十幾種型態，比 iPhone 的型號還多！只是除了冰一之外，其他的型態都極為少見。

所謂少見是有多少見呢？

一直到 2017 年時，科學家才首次在實驗室中合成出冰七（Ice VII），這種稀有的結晶形態通常只有在彗星或系外行星上才見得到，因為它需要超大的壓力（例如：兩個含冰量豐富的小行星體對撞），才有可能形成。

相隔一年後，另一組研究團隊利用 X 光繞射技術，在世界各地的鑽石中發現冰七的蹤影。

為什麼鑽石中會有冰七？推測原因是由於當初在地底時，有少量水分被困在高溫高壓的鑽石礦脈中，而後這些水分隨著鑽石一同被挖掘到地表，雖然溫度下降到普通室溫，但堅固的鑽石內卻仍然維持著高壓。如此獨一無二的條件，讓冰七得以自然生成。

零度以下也不結冰？神秘的過冷水！

光是固態冰就有這麼多花樣了，水結冰的過程同樣也是科學家有興趣的主題。在 Science 期刊上最新的研究發現，過冷水其實是由兩種結構不同的形態混搭而成。

一般的情況下，零度以下的水需要一些雜質或擾動來「啟動」結晶的過程，才能凝固成冰。在缺乏這些條件時，水可以在零度以下仍維持液態，也就是所謂的「過冷」。

關於過冷水的理論模型可說是眾說紛紜，因為這種狀態十分不穩定，輕微的干擾就會讓過冷水全部結晶，讓實驗學家十分頭痛。另外，也很難單從實驗中觀察並判斷過冷水不結晶到底是不是因為還未達到熱平衡。

以往的相關研究通常只能依賴分子模擬，不過最近在實驗上有了最新突破。

美國西北太平洋國家實驗室的研究人員準備了一片僅有 15 奈米厚的薄冰，接著利用短暫的雷射脈衝，極速加熱一小塊區域，使其轉為液態過冷水，直到它很快地降溫並重新結晶。

整個過程只有短短幾十奈秒，不過，這個突破已經足夠讓我們使用紅外線光譜來測量過冷水的分子結構。

結果發現，早在結晶開始的短短的幾十奈秒之間，過冷水就找到了它最舒服的平衡狀態；這個狀態還是由兩種結構不同的液體型態所組成，分為高密度與低密度結構，密度分別約為 0.9 和 1.1 g/cm³。

實驗發現，過冷水中高密度水所佔的比例，會隨著溫度降低逐漸減少。也就是說，過冷水能在低於攝氏零度的環境下維持液態，很有可能是兩種不同密度的水比例不同所造成的。

其實，這種特殊的二元性質也能在一般常溫的液態水中看到，分為四面體和非四面體結構。不過這類的現象在過冷水是首次被發現，也為水在低溫時的行為提供重要的實驗數據。關於水的各種理論模型，我們終於得以區分何者較接近真實。

參考資料

1. Water structure and science
2. Gleason, A. E., Bolme, C. A., Galtier, E., Lee, H. J., Granados, E., Dolan, D. H., … & Swift, D. (2017). Compression freezing kinetics of water to ice VII. Physical Review Letters, 119(2), 025701.
3. Tschauner, O., Huang, S., Greenberg, E., Prakapenka, V. B., Ma, C., Rossman, G. R., … & Tait, K. (2018). Ice-VII inclusions in diamonds: Evidence for aqueous fluid in Earth’s deep mantle. Science, 359(6380), 1136-1139.
4. Kringle, L., Thornley, W. A., Kay, B. D., & Kimmel, G. A. (2020). Reversible structural transformations in supercooled liquid water from 135 to 245 K. Science, 369(6510), 1490-1492.
5. Shi, R., & Tanaka, H. (2020). Direct evidence in the scattering function for the coexistence of two types of local structures in liquid water. Journal of the American Chemical Society, 142(6), 2868-2875.

• 編譯 / 歐柏昇

美國國家航空暨太空總署（ National Aeronautics and Space Administration, NASA）火星偵察軌道器（Mars Reconnaissance Orbiter, MRO）的新發現，提供目前最強烈的證據，顯示今日的火星有間歇流動的液態水。

在這顆紅色行星表面，具有神秘條紋的山坡上，研究人員利用MRO上面的成像光譜儀，偵測到含水礦物的特徵。這些淺黑的條紋，看起來會隨著時間推移而流動。條紋在溫暖的季節時變黑，而沿著陡坡往下流動；且在較冷的季節則顏色褪去。當溫度高過華氏-10度（攝氏-23度），就會在火星上好幾個地點出現；較冷的時候則消失。

NASA科學任務理事會副主任及太空人約翰．格倫斯菲爾德（John Grunsfeld）說：「我們對於火星的探索都是『跟隨著水』，來尋找宇宙中的生命，而現在我們有了令人信服的科學，證實我們長久料想的事。這是重要的新發展，看來確認了水──儘管是鹽水──今日在火星表面流動。」

這些下坡的流動，稱為季節性斜坡紋（recurring slope lineae, RSL），它被認為可能與液態水有關。在坡道上新發現的水合鹽類，便指明了與這些深色特徵的關聯。水合鹽類會降低液態鹽水的凝固點，這就像在地球上，馬路上的鹽會造成冰和雪更快融化。科學家說，這可能是淺層的地表下流動，並有一些水透過毛細作用來到地表上。這樣就可以解釋變黑的現象。

亞特蘭大的喬治亞理工學院的盧金德拉．歐嘉（Lujendra Ojha）是發表這項新發現的報告的第一作者，這篇文章發表在9月28日出版的《自然地球科學》（Nature Geoscience）期刊。

他說：「我們只有在這些季節特徵最寬的時候發現水合鹽類，表示這些深色條紋本身、或者某個造成深色條紋的機制，就是水合作用的來源。不管是哪一種情況，在山坡上偵測到水合礦物，就代表水在這些條紋的形成過程中，扮演重要的角色。」

2010年，當歐嘉還是亞利桑那大學的大學生時，便利用MRO的高解析度成像科學設備（High Resolution Imaging Science Experiment, HiRISE），首次注意到這些令人困惑的特徵。HiRISE目前已經在火星上數十個地點觀測到RSL。新的研究結合了HiRISE的觀測，以及MRO的火星專用小型偵察影像頻譜儀（Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars, CRISM）的礦物分布圖。

光譜儀的觀測，顯示了多個RSL地點的水合鹽類特徵，但只有在深色條紋相對較寬的時候會出現。當研究人員觀測同一個地點、但RSL較少的時期，就沒有偵測到水合鹽類。

歐嘉與其他共同作者，將此光譜的特徵解釋為過氯酸鹽的水合礦物。它的化學特徵與這些水合鹽類最相符的，可能是過氯酸鎂、氯酸鎂及過氯酸鈉的混合物。有些過氯酸鹽，讓液體甚至在華氏-94度（攝氏-70度）這麼低溫的情況下，都不會結冰。在地球上，自然產生的過氯酸鹽集中在沙漠，而有些種類的過氯酸鹽可以拿來作為火箭的推進劑。

之前人們就曾在火星上看到過氯酸鹽。NASA的鳳凰號和好奇號，都曾在火星的土壤中找到過氯酸鹽，而有些科學家還相信，1970年代的維京計畫已測量到這樣的特徵。不過，這次對於測量到RSL的地區，其水合型態的過氯酸鹽研究，跟先前的登陸器探測的地區並不同。這也是首次透過軌道上的衛星，來確認過氯酸鹽。

MRO具有六個科學儀器，從2006年開始量測火星。

在加州帕薩迪納的NASA噴射推進實驗室的MRO計畫科學家理查德．楚雷克（Rich Zurek）說：「MRO可觀測火星許多年的能力，以及能夠看到這些特徵清楚的細節， 促成了這樣的發現：首次識別了令人困惑的季節性條紋，而現在則是解釋了它們是什麼，邁出了一大步。」

這些新發現對於歐嘉來說，是更強烈地證明了他五年前首次觀察到的火星坡道上神秘的線條，真的就是現存的水。他說：「大多數人談到火星上的水，通常談的是古老的水、或是結冰的水。現在我們知道，這個故事不只是如此。這是第一次明確支持我們對於RSL的『液態水形成假說』的光譜觀測證據。」這項發現，是NASA火星任務眾多突破性結果當中最新的一項。

NASA華盛頓總部的火星探測計畫首席科學家麥克．邁爾（Michael Meyer）說：「為了解決這個謎團，眾多太空船花費了幾十年的時間，而現在我們知道，在這個寒冷、荒蕪的行星上有液態水。似乎對火星研究越多，我們就越知道生命如何維繫，以及未來哪裡有足以維持生命的資源。」

文章來源：

• NASA Confirms Evidence That Liquid Water Flows on Today’s Mars. NASA [Sept. 28, 2015]

延伸閱讀：

• 火星上發現疑似鹽水流動痕跡
• 奇怪耶你，找外星生命一定要先找水嗎？
• 《絕地救援》的馬克，怎麼活過在火星被丟包的日子
  

[FETTSS天文生物系列之1] ALH84001：來自火星的石頭

ALH84001這舉世聞名的火星石，大概是在1600萬年前被隕石撞擊後彈飛出火星，漫遊太空，然後在1萬3千年前與地球相遇並墜落在南極洲的「艾倫丘」冰原上，並在1984年被科學家所發現。這張放大圖中，明顯的橘色盤狀區域，鑲嵌著黑色條紋，是由碳酸鹽所組成，而這通常是在低溫的液態水中形成。1996年，天文生物學家聲稱ALH84001中可能有微生物的化石遺跡，暗示可能有生命曾出現在火星上。雖然到目前為止，這份聲明還未被徹底證實，卻也開啟了天文生物學這門新的科學研究領域。

資料來源：ALH84001

[FETTSS天文生物系列之2] 巴哈馬藍洞

大概在10~20億年前，地球當時的海洋被認為是處在無氧的狀態，因為能吸收光能但不釋放氧氣的厭氧紫細菌在海中生活著，並在有十億年歷史之久的海岩中留下了化石痕跡。今天，在巴哈馬群島上一些與世隔絕，稱為藍洞的海穴裡（如圖），涵養聚集了大量的厭氧紫細菌和綠細菌，他們的光合作用不會製造出氧氣，因此有著很不一樣的生態系統。天文生物學家在此研究他們的生活形態，看看和現代植物與藍綠藻等行光合作用並釋放氧氣的生物有何不同。因為有植物等生物釋放氧氣，大氣中才有足夠含量的氧氣以支持人類等多細胞生命的存續。

資料來源：Bahamas Blue Hole

[FETTSS天文生物系列之3] 四沼澤-1

本影像呈現的是Cuatro Ciénegas（英文意為「Four Marshes」）眾多沼澤地的其中之一，這是個相當獨特的生物保護區，位在墨西哥北部科阿韋拉州（Coahuila）的荒漠區（Región Desierto）。此區所保存的動植物多樣性頗為豐富，許多沼澤中含有生氣蓬勃的微生物群落；當這些群落成長時，結合隨水流而來的沈積物和沙土，逐漸形成如岩石般的半球形結構，類似疊層石（stromatolites），只不過這些沼澤中的群落結構是活生生的微生物構成的，而疊層石則是極古老的地球生命化石記錄。因此天文生物學家將此地當作活生生的實驗室，藉此探究地球生命起源。

資料來源：Cuatro Cienegas 1

[FETTSS天文生物系列之4] 四沼澤-2：沙漠中的生命

四沼澤（Cuatro Ciénegas）這個生物保護區位在墨西哥北部科阿韋拉州（Coahuila）的荒漠區（Región Desierto），設立保護區之意是要保護那些規模不大、有獨特的水化學作用的生態池，其中許多都是活生生的疊層石的發源地。這些是複雜的微生物群落，當微生物成長時，與來自水中的沈積物和砂石混合，逐漸堆疊形成如岩石般的圓頂形結構，此圖前景中便可看到好幾個這樣的疊層石結構。在早期地球中，相同的微生物相當普遍。約在20億年前，這些微生物開始經由光合作用將氧氣釋放進入大氣層，將地表逐漸改變成適合人類等複雜生命型態生存的環境。

資料來源:Cuatro Cienegas 2

[FETTSS天文生物系列之4] 伊迪卡拉-1：複雜生命型態的出現

這塊向上翹起的砂岩位在澳洲南部弗林德斯山脈（Flinders Range），岩石上有著波紋，顯示這塊岩石是古老海床的一部份。澳洲的這片區域擁有約6億多年前出現的地球第一批複雜多細胞生物所形成的化石。研究這些被稱為「伊迪卡拉動物群（Ediacaran Fauna）」的古老化石，可幫助天文生物學家進一步瞭解地球上的複雜生命型態究竟如何出現、如何演化，甚至是若出現在其他行星上時將會如何演化。

資料來源：Ediacaran 1

FETTSS（從地球到太陽系，From Earth To The Solar System）天文生物（Astrobiology）系列，為臺北天文館與中央大學天文研究所葉永烜教授合作之成果，影像並獲得NASA FETTSS製作小組同意授權。整系列共25幅與天文生物研究相關的照片與說明，將分次刊登於天文新知中，並於臺北天文館大廳展出高解析影像，歡迎參觀！

轉載自台北天文館之網路天文館網站